Космические аппараты

Космос

Космические аппараты
высокой энерговооружённости

В середине 1950-х годов возможности по использованию атомной энергии стали казаться беспредельными, атомный век сулил революцию во всех аспектах человеческой жизни, в том числе и в сфере освоения космоса. Мощные ядерные ракетные двигатели, звездолёты с ядерными реакторами – всё это казалось вполне достижимым делом в обозримом будущем (15-30 лет).

Помните фильм Стэнли Кубрика 1968 года «Космическая одиссея 2001 года»? Очевидно, в нём сильно ошиблись с уровнем развития космических технологий начала 21 века...

Но, как говорится в пословице: «гладко было на бумаге, да забыли про овраги».

Одним из важнейших показателей энергетического совершенствования ракетного двигателя является удельная тяга.

Удельную тягу можно охарактеризовать как отношение тяги к секундному массовому расходу топлива. Следовательно, именно молекулярный вес истечения продуктов реакции является наиболее важной величиной. И атомная энергетика, согласно проведённым расчётам, была способна его значительно увеличить по сравнению с традиционными химическими ракетными двигателями.

Типы ракетных двигателей по величине удельной тяги.

Если мы будем не сжигать отдельный водород (окислять кислородом), а нагревать его в активной зоне ядерного реактора, молекулярный вес конечного продукта выброса – водорода – будет значительно меньше любого другого вида топлива и, как следствие, удельная тяга значительно возрастёт. Расчёты показывали, что удельная тяга может доходить до 9000 м/с, и более. Это абсолютно недостижимая величина для химических двигателей.

В своё время в СССР и США развёртывались амбициозные программы создания ядерного ракетного двигателя.

Базовая схема конструктива Ядерного Ракетного Двигателя (ЯРД), способная нагреть водород до 2,5 тысяч градусов Цельсия. Водород проходит через тепловыделяющие створки и истекает через сопло, создавая тягу.

Работы по ЯРД заняли без малого 20 лет (США начали исследования ядерных ракетных двигателей в 1952 году и закрыли программу в 1972 году), однако они так и не были применены в ракетной космической отрасли, и не вытеснили химические двигатели.

Выводы (что со стороны СССР, что со стороны США) были одинаковыми:

Высокие значения удельной тяги – были получены: до 9000 м/с в СССР ("РД-0410") и до 7500 м/с в США (ЯРД семейства «NERVA»);

Активное взаимодействие водорода с делящимся веществом ядерного реактора губительно сказывается на работоспособности ЯРД, вследствие чего надёжность ЯРД была очень низкой;

В итоге, ещё в начале 1980-х стало ясно, что ЯРД в качестве маршевого двигателя космического аппарата неприменим из-за несовершенства технологий.

Технологии прошлого века не позволили разработать относительно надёжный ЯРД, который бы мог найти применение хотя бы в ближайших десятилетиях. США первыми прекратили работы над этим проектом, а СССР, хоть и реализовали более надёжный и мощный ЯРД, но пришли к аналогичным выводам. Работы по ядерным космическим двигателям были окончательно свёрнуты.

Советский ЯРД "РД-0410" (слева) и американский ЯРД "NERVA" (справа).

Параллельно с проектом ЯРД шли работы над ядерными космическими энергетическими установками – самым важным направлением в области обеспечения космических аппаратов электрической энергией.

В СССР удалось наладить серийный выпуск ядерных энергетических установок для космических аппаратов, в результате чего был достигнут огромный прогресс в сфере ядерной космической энергетики.

Однако продолжительность работы ядерного реактора и его надёжность оставляли желать лучшего, и без полномасштабной наземной отработки технологии космических ядерных реакторов рассчитывать на высокую надёжность при полёте в космосе было весьма неосмотрительно.

С этой проблемой столкнулись в США со своим первым и единственным космическим ядерным реактором "SNAP-10A", запущенным на орбиту в 1965 году.

После распада СССР они выкупили не только технологию создания реакторов "ТОПАЗ", но и два новейших реактора следующего поколения - "ЕНИСЕЙ", способных генерировать электрическую мощность до 10 кВт. США закрыли и этот проект спустя всего 4 года работы (в 1996 году).

Первым в мире и единственным американским ядерным реактором, запущенным в космос, стал "SNAP-10A". Реактор проработал 43 дня, генерируя электричество посредством термоэлектрического преобразования тепловой энергии реактора (40 кВт) в электрическую энергию мощностью 0,55 кВт.

Реактор "SNAP-10A", который являлся прототипом с запланированным сроком активной работы в 90 суток, был потерян в связи с аварией супутника-носителя. После этого в США работы по космическим ядерным реакторам были свёрнуты.

Советские ядерные реакторы были куда успешнее американского опыта: 34 запуска на орбиту и активная работа над совершенствованием ядерных реакторов.

Однако перспектива использования мощных электроэнергетических источников энергии на космических аппаратах была уж слишком соблазнительна. Логичным продолжением технологии советских космических ядерных реакторов стал проект "JIMO" (Jupiter Icy Moons Orbiter), работы по которому начались ещё в начале 2000 годов. Проект предполагал изучение ледяных спутников Юпитера космическим планетолётом с ядерным реактором, способным генерировать 200 кВт электрической энергии. Несмотря на предполагаемое огромное финансирование в 16 миллиардов долларов (без учёта запуска и сборки аппарата на орбите Земли), проект потерпел фиаско ещё в начале научно-технических работ. 12 ключевых проблем так и не были решены, включая создание надёжной энергетической ядерной установки. Всё это привело к закрытию проекта в 2005 году, а сама идея подобного ядерного планетолёта была окончательно свёрнута 2015 году, хотя до того предполагалось построить аппарат-демонстратор технологий значительно меньшего масштаба.

Jupiter Icy Moons Orbiter (JIMO) - разрабатываемый НАСА космический аппарат, предназначенный для исследования системы Юпитера.

Снаряжённая масса составляла 36375 кг. Масса ксенонового топлива - 12 000 кг, масса реакторного модуля - 6182 кг. Реактор должен был обеспечивать космический аппарат электроэнергией мощностью 200 кВт на протяжении всего 20-летнего срока миссии.

Запуск космического аппарата был назначен на 2015 год, затем перенесён на 2017 год. Проект закрыли в 2015 году, главным образом из-за неразрешимых фундаментальных проблем в проектировании корабля.

Однако именно электроэнергетика является на сегодня самой большой космической проблемой, не позволяющей нам начать полномасштабное освоение даже ближнего космического пространства. Подробнее о проблеме космической энергетики я писал в статье « Ахиллесова пята мировой космонавтики. Запретный космос ».

Быть может, то, что не получилось у США, получится у России? Ведь мы не утратили ядерных компетенций из-за продолжительной экоистерии вокруг проблем использования АЭС, которой подвергся весь остальной "цивилизованный" мир.

В 2010 году президент России Дмитрий Медведев подписывает распоряжение о создании новых космических аппаратов высокой энерговооружённости на основе предложений, внесённых государственным научно-исследовательским институтом имени М. В. Келдыша.

Так началась история развития технологии, потенциально способной ввести всё человечество на новый этап в освоении космоса.

Эти самые новые принципы использования ядерной энергии в космосе направлены на существенное повышение надёжности силовой ядерной установки и сопутствующих агрегатов при полном соответствии международным требованиям по обеспечению безопасности использования ядерных энергоустановок в космическом пространстве.

Так, согласно новым принципам, конструирование ядерных реакторов теперь не будет выходить за рамки возможности современных технологий.

Рабочее тело (ксенон-гелевая смесь) нагревается в активной зоне реактора до температуры 1500 градусов Цельсия, далее направляется на турбину, которая приводит в действие электрогенератор (вырабатывающий электрический ток), и на компрессор, обеспечивающий циркуляцию энергоносителя по замкнутому контуру.

Так как добиться надёжной работоспособности реакторов, работающих при температурах 2500-3000 градусов Цельсия, невозможно при нынешнем технологическом уровне развития человечества, температуру реактора нужно снизить до приемлемых 1600 градусов.

"Приемлемые 1600 градусов" - весьма условный показатель, так как такая технология реакторов разработана только в России, и общепринятого порога безопасного использования реактора нет.

Понятное дело, что при таких температурах удельная тяга ЯРД будет слишком мала и сам двигатель будет неэффективным, даже если заменить химически активный водород на нейтральный инертный газ, решив тем самым многие проблемы, связанные с использованием водорода.

При таком раскладе новая архитектура по использованию ядерной энергии в космосе должна представлять собой связку: АЭС + электроплазменный ракетный двигатель.

Так как данная архитектура предполагает использование замкнутой схемы, необходим сброс тепла для создания температурного градиента (разницы температур). И вот тут возникает вторая большая проблема – это охлаждение в космосе, где единственным методом сброса тепла (передачи тепла) является излучение. А излучательная способность тела по Закону Стефана-Больцмана пропорциональна четвёртой степени его абсолютной температуры. Иными словами, интенсивность излучения зависит от температуры тела излучателя: чем оно больше, тем интенсивнее идёт сброс тепла. Становится очевидным, что излучение является малоэффективным методом охлаждения в космосе.

Кроме того, в ходе работы над проектом «JIMO» (США) и Ядерный Космический Буксир (Россия) нужно было решать целый ряд научно-конструкторских задач, в чём США потерпели полнейшее фиаско. Необходимо было создать:

надёжный высокотемпературный реактор;

высокотемпературный турбокомпрессор;

высокооборотный генератор с бесконтактной опорой (магнитный, либо газодинамический подвес всей конструкции).

По этим трём пунктом к началу работ над новым обликом ядерной энергетической установки у России был нулевой технологический задел (2010 год). К тому времени американцами были разработаны опытные технологии, но довести их до приемлемой работоспособности они не смогли.

Технологии, которые были созданы с нуля в рамках проекта космического ядерного буксира.

Научно-технические работы над проектом шли без лишнего шума и частично в секретном режиме в период с 2010 под 2017 годы.

В 2018 году были получены объективные результаты по всем технологиям ядерной энергетической установки, которые позволяли определить дальнейшую перспективу её использования в космосе.

Проект хоть и был теоретически реализуем, но никто не гарантировал возможность его практической реализации, ведь нужно было создать необходимые технологии, а также обеспечить их высокую надёжность и работоспособность. Мало того, что для США такая комплексная задача оказалась не под силу, так они ещё и экономические санкции ввели против российских госкомпаний, участвующих в этом проекте.

Но, несмотря на все трудности, такие технологии, как мощные электроплазменные двигатели и компактные теплообменники, были доведены до стадии практического внедрения.

Фото испытаний плазменных двигателей, разработанных в рамках проекта космического ядерного аппарата.

По другим технологиям прогноз был очень перспективным, так как основные проблемы были решены, но требовалось время на отработку и испытания технологии на земле. К таким технологиям относятся реактор и системы преобразования тепла в электричество.

А вот технология сброса тепла (с помощью панелей охлаждения) занимает особое место в этом проекте. Работы шли в двух направлениях: теплообменник в виде твёрдых панелей и капельный тип охлаждения.

Космический аппарат с ядерным реактором и капельным бескаркасным холодильником-излучателем.

По капельному охлаждению рабочего теплоносителя были проведены фундаментальные экспериментальные исследования, в том числе на космических станциях "МИР" и "МКС".

Технология работоспособности капельного холодильника-излучателя экспериментально подтверждена в условиях микрогравитации.

Предстоит финальный эксперимент по замыканию всего контура через открытое космическое пространство, что окончательно подтвердит работоспособность технологии капельного охлаждения.

Схема капельного охлаждения. Эксперименты начали проводить ещё на стации "МИР"

Эксперименты, проведённые в 2014 году, подтвердили работоспособность технологии в условиях невесомости, микрогравитации и вакуума.

Схема капельного охлаждения. Эксперименты начали проводить ещё на стации "МИР"

Однако этот метод слишком сложно вписать в жёсткие требования надёжности ядерных космических аппаратов. Ведь все работы нужно проводить в условиях космического пространства, что сильно ограничивает возможности полноценной реализации технологии в настоящее время.

Поэтому выбор пал на упрощённую систему отвода тепла, основанную на твердотельных панелях. Эту технологию можно полноценно отработать в земных условиях, превысив тем самым её надёжность.

10 декабря 2020 года КБ «Арсенал» приступило к разработке аванпроекта "ТЭМ" (ядерного транспортно-энергетического модуля) стоимостью более 4,1 миллиарда рублей.

Аванпроект предусматривает разработку космического аппарата на базе разработанных технологий, которые были реализованы в период научно-конструкторских работ, проводимых с 2010 года по проекту ядерных космических энергоустановок. КБ «Арсенал» разрабатывает концепцию космического аппарата с ядерной энергоустановкой, а также отрабатывает работу элементов конструкции космического корабля в рамках испытаний на земле и последующего его запуска в космос в 2030 году.

Концепт ТЭМ "Нуклон", разрабатываемый КБ "Арсенал".

Презентация проекта "ТЭМ" от КБ "Арсенал".

Концепт ТЭМ "Нуклон", разрабатываемый КБ "Арсенал".

По существу, аванпроект - это заключительная стадия работы по созданию архитектуры космического аппарата с ядерным реактором. Необходимые технологии созданы, осталось их скомпоновать друг с другом и обеспечить их устойчивую работу и высокую надёжность.

Такой ТЭМ станет основой для целого созвездия космических аппаратов, которые отправятся, в том числе, к другим планетарным системам. А технологии, которые лягут в его основу, станут отправной точной к колонизации Луны, Марса, спутников Юпитера и всей Солнечной системы.

Главная цель – это получение сотни киловатт электроэнергии в условиях космического пространства с перспективой перехода к мегаваттным мощностям (капельный охладитель как раз разрабатывается под мегаваттные мощности).

А что такое сотни киловатт или мегаватты электроэнергии в космосе? А это единственное, что способно сделать космос более дружелюбным и экономически приемлемым для его скорейшего освоения.

Все те предположения об использовании ядерной энергии в космосе, о которых я говорил в предыдущих статьях, подтвердились в недавно опубликованном буклетом КБ «Арсенал».

Наглядные размеры ТЭМ в сложенном виде.

Работы над проектом активно идут в КБ "Арсенал".

"ТЭМ" строится в натуральную величину для отработки технологии изготовления и проверки систем на функциональность и надёжность.

Наглядные размеры ТЭМ в сложенном виде.

Не то, чтобы я знал больше, чем положено. Нет. Просто это логичные шаги к дальнейшей деятельности человека в космосе.

Источник