Главная Водоснабжение › › Атомные двигатели. Назначение ракетных двигателей

Атомные двигатели. Назначение ракетных двигателей

Александр Лосев

Быстрое развитие ракетно-космической техники в XX веке было обусловлено военно-стратегическими, политическими и, в определенной степени, идеологическими целями и интересами двух сверхдержав - СССР и США, а все государственные космические программы являлись продолжением их военных проектов, где главной задачей была необходимость обеспечить обороноспособность и стратегический паритет с вероятным противником. Стоимость создания техники и затраты на эксплуатацию тогда не имели принципиального значения. На создание ракет-носителей и космических аппаратов выделялись колоссальные ресурсы, а 108 минут полета Юрия Гагарина в 1961 году и телетрансляция Нила Армстронга и Базза Олдрина с поверхности Луны в 1969 году были не просто триумфами научно-технической мысли, они еще рассматривались как стратегические победы в битвах «Холодной войны».

Но после того как Советский Союз распался и выбыл из гонки за мировое лидерство, у его геополитических противников, прежде всего у США, исчезла необходимость реализовывать престижные, но крайне затратные космические проекты, чтобы доказывать всему миру превосходство западной экономической системы и идеологических концепций.
В 90-х годах основные политические задачи прошлых лет утратили актуальность, блоковое противостояние сменилось глобализацией, в мире возобладал прагматизм, поэтому большинство космических программ было свернуто или отложено, от масштабных проектов прошлого осталась, как наследие, только МКС. К тому же западная демократия поставила все дорогостоящие государственные программы в зависимость от электоральных циклов.
Поддержка избирателей, необходимая для получения или сохранения власти, заставляет политиков, парламенты и правительства склоняться к популизму и решать сиюминутные задачи, поэтому траты на исследования космоса сокращаются год от года.
Большинство фундаментальных открытий было сделано еще в первой половине ХХ века, а в наши дни наука и технологии достигли определенных пределов, к тому же во всем мире снизилась популярность научных знаний, и ухудшилось качество преподавания математики, физики и других естественных наук. Это и стало причиной застоя, в том числе и в космической сфере, последних двух десятилетий.
Но сейчас становится очевидным, что мир приближается к концу очередного технологического цикла, основанного на открытиях прошлого века. Поэтому любая держава, которая будет обладать принципиально новыми перспективными технологиями в момент смены глобального технологического уклада, автоматически обеспечит себе мировое лидерство как минимум на следующие пятьдесят лет.

Принципиальное устройство ЯРД с водородом в качестве рабочего тела

Это осознают и в Соединенных Штатах, где взят курс на возрождение американского величия во всех сферах деятельности, и в Китае, бросающем вызов американской гегемонии, и в Евросоюзе, который всеми силами пытается сохранить свой вес в глобальной экономике.
Там существует промышленная политика и всерьез занимаются развитием собственного научно-технического и производственного потенциала, а космическая сфера может стать наилучшим полигоном для отработки новых технологий и для доказательства или опровержения научных гипотез, способных заложить основу для создания принципиально иной более совершенной техники будущего.
И вполне естественно ожидать, что США будет первой страной, где возобновятся проекты исследования дальнего космоса с целью создания уникальных инновационных технологий как в области вооружений, транспорта и конструкционных материалов, так и в биомедицине и в сфере телекоммуникаций
Правда, ни даже Соединенным Штатам, успех на пути создания революционных технологий не гарантирован. Есть высокий риск оказаться в тупике, совершенствуя ракетные двигатели полувековой давности на основе химического топлива, как это делает компания SpaceX Илона Маска, или, создавая системы жизнеобеспечения длительного перелета похожие на те, что уже реализованы на МКС.
Может ли Россия, чья стагнация в космической сфере с каждым годом становится заметнее, совершить рывок в гонке за будущее технологическое лидерство, чтобы оставаться в клубе сверхдержав, а не в списке развивающихся стран?
Да, безусловно, Россия может, и более того, заметный шаг вперед уже сделан в ядерной энергетике и в технологиях ядерных ракетных двигателей, несмотря на хроническое недофинансирование космической отрасли.
Будущее космонавтики - это использование ядерной энергии. Чтобы понять, как связаны ядерные технологии и космос, необходимо рассмотреть основные принципы реактивного движения.
Итак, основные типы современных космических двигателей созданы на принципах химической энергетики. Это твердотопливные ускорители и жидкостные ракетные двигатели, в их камерах сгорания компоненты топлива (горючее и окислитель) вступая в экзотермическую физико-химическую реакцию горения, формируют реактивную струю, ежесекундно выбрасывающую из сопла двигателя тонны вещества. Кинетическая энергия рабочего тела струи преобразуется в реактивную силу, достаточную для движения ракеты. Удельный импульс (отношение создаваемой тяги к массе используемого топлива) таких химических двигателей зависит от компонентов топлива, давления и температуры в камере сгорания, а также от молекулярной массы газообразной смеси, выбрасываемой через сопло двигателя.
И чем выше температура вещества и давление внутри камеры сгорания, и чем ниже молекулярная масса газа, тем выше удельный импульс, а значит и эффективность двигателя. Удельный импульс - это количество движения, и его принято измерять в метрах в секунду, также как и скорость.
В химических двигателях наибольший удельный импульс дают топливные смеси кислород-водород и фтор-водород (4500–4700 м/с), но самыми популярными (и удобными в эксплуатации) стали ракетные двигатели, работающие на керосине и кислороде, например двигатели «Союзов» и ракет «Falcon» Маска, а также двигатели на несимметричном диметилгидразине (НДМГ) с окислителем в виде смеси тетраоксида азота и азотной кислоты (советский и российский «Протон», французский «Ариан», американский «Титан»). Их эффективность в 1.5 раза ниже, чем у двигателей на водородном топливе, но и импульса в 3000 м/с и мощности вполне достаточно, для того, чтобы было экономически выгодно выводить тонны полезной нагрузки на околоземные орбиты.
Но полеты к другим планетам требуют намного большего размера космических кораблей, чем все, что были созданы человечеством ранее, включая модульную МКС. В этих кораблях необходимо обеспечивать и длительное автономное существование экипажей, и определенный запас топлива и ресурс работы маршевых двигателей и двигателей для маневров и коррекции орбит, предусмотреть доставку космонавтов в специальном посадочном модуле на поверхность иной планеты, и возврат их на основной транспортный корабль, а затем и возвращение экспедиции на Землю.
Накопленные инженерно-технические знания и химическая энергетика двигателей позволяют вернуться на Луну и достигнуть Марса, поэтому велика вероятность, что в следующем десятилетии человечество побывает на Красной планете.
Если опираться только на имеющиеся космические технологии, то минимальная масса обитаемого модуля для пилотируемого полета к Марсу или к спутникам Юпитера и Сатурна составит примерно 90 тонн, что в 3 раза больше, чем лунные корабли начала 1970-х, а значит, ракеты-носители для их выведения на опорные орбиты для дальнейшего полета к Марсу будут намного превосходить «Сатурн-5» (стартовая масса 2965 тонн) лунного проекта «Аполлон» или советский носитель «Энергия» (стартовая масса 2400 тонн). Потребуется создать на орбите межпланетный комплекс массой до 500 тонн. Полет на межпланетном корабле с химическими ракетными двигателями потребует от 8 месяцев до 1 года времени только в одну сторону, потому что придется делать гравитационные маневры, используя для дополнительного разгона корабля силу притяжения планет, и колоссального запаса топлива.
Но используя химическую энергию ракетных двигателей дальше орбиты Марса или Венеры человечество не улетит. Нужны другие скорости полета космических кораблей и иная более мощная энергетика движения.

Современный проект ядерного ракетного двигателя Princeton Satellite Systems

Для освоения дальнего космоса необходимо значительно повысить тяговооруженность и эффективность ракетного двигателя, а значит увеличить его удельный импульс и ресурс работы. А для этого необходимо внутри камеры двигателя нагреть газ или вещество рабочего тела с низкой атомной массой до температур, в несколько раз превосходящих температуру химического горения традиционных топливных смесей, и сделать это можно с помощью ядерной реакции.
Если вместо обычной камеры сгорания внутрь ракетного двигателя поместить ядерный реактор, в активную зону которого будет подаваться вещество в жидком или газообразном виде, то оно, разогреваясь под большим давлением до нескольких тысяч градусов, начнет выбрасываться через канал сопла, создавая реактивную тягу. Удельный импульс такого ядерного реактивного двигателя будет в несколько раз больше, чем у обычного на химических компонентах, а значит многократно увеличится эффективность как самого двигателя, так и ракеты-носителя в целом. Окислитель для горения топлива при этом не потребуется, а в качестве вещества, создающего реактивную тягу, может быть использован легкий газ водород, мы же знаем, что чем меньше молекулярная масса газа, тем выше импульс, а это позволит намного уменьшить массу ракеты при лучших характеристиках мощности двигателя.
Ядерный двигатель будет лучше обычного, поскольку в зоне реактора легкий газ может нагреваться до температур, превышающих 9 тысяч градусов Кельвина, и струя такого перегретого газа обеспечит намного больший удельный импульс, чем могут дать обычные химические двигатели. Но это в теории.
Опасность даже не в том, что при старте ракеты-носителя с такой ядерной установкой может произойти радиоактивное загрязнение атмосферы и пространства вокруг пусковой площадки, основная проблема, что при высоких температурах может расплавиться сам двигатель вместе с космическим кораблем. Конструкторы и инженеры это понимают и уже несколько десятилетий пытаются найти подходящие решения.
У ядерных ракетных двигателей (ЯРД) есть уже своя история создания и эксплуатации в космосе. Первые разработки ядерных двигателей начались в середине 1950-х годов, то есть еще до полета человека в космос, и практически одновременно и в СССР и в США, а сама идея использовать ядерные реакторы для нагрева рабочего вещества в ракетном двигателе родилась вместе с первыми ректорами в середине 40-х годов, то есть больше 70 лет назад.
В нашей стране инициатором создания ЯРД стал ученый-теплофизик Виталий Михайлович Иевлев. В 1947 году он представил проект, который был поддержан С. П. Королевым, И. В. Курчатовым и М. В. Келдышем. Изначально планировалось использовать такие двигатели для крылатых ракет, а затем ставить и на баллистические ракеты. Разработкой занялись ведущие оборонные КБ Советского Союза, а также научно-исследовательские институты НИИТП, ЦИАМ, ИАЭ, ВНИИНМ.
Советский ядерный двигатель РД-0410 был собран в середине 60-х воронежском «Конструкторском бюро химавтоматики», где создавалось большинство жидкостных ракетных двигателей для космической техники.
В качестве рабочего тела в РД-0410 использовался водород, который в жидком виде проходил через «рубашку охлаждения», отводя лишнее тепло от стенок сопла и не давая ему расплавиться, а затем поступал в активную зону реактора, где нагревался до 3000К и выбрасывался через канал сопла, преобразуя, таким образом, тепловую энергию в кинетическую и создавая удельный импульс в 9100 м/с.
В США проект ЯРД был запущен в 1952 году, а первый действующий двигатель был создан в 1966 году и получил название NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). В 60-х - 70-х годах Советский Союз и США старались не уступать друг другу.
Правда и наш РД-0410, и американский NERVA были твердофазными ЯРД, (ядерное топливо на основе карбидов урана находилось в реакторе в твердом состоянии), и их рабочая температура была в пределах 2300–3100К.
Чтобы увеличить температуру активной зоны без риска взрыва или расплавления стенок реактора, необходимо создать такие условия ядерной реакции, при которых топливо (уран) переходит в газообразное состояние или превращается в плазму и удерживается внутри реактора за счет сильного магнитного поля, не касаясь при этом стенок. А дальше водород, поступающий в активную зону реактора, «обтекает» находящийся в газовой фазе уран, и превращаясь в плазму, с очень высокой скоростью выбрасывается через канал сопла.
Этот тип двигателя получил название газофазного ЯРД. Температуры газообразного уранового топлива в таких ядерных двигателях могут находиться в диапазоне от 10 тысяч до 20 тысяч градусов Кельвина, а удельный импульс достигать 50000 м/с, что в 11 раз выше, чем у самых эффективных химических ракетных двигателей.
Создание и использование в космической технике газофазных ЯРД открытого и закрытого типов - это наиболее перспективное направление развития космических ракетных двигателей и именно то, что необходимо человечеству для освоения планет Солнечной системы и их спутников.
Первые исследования по проекту газофазного ЯРД начались в СССР в 1957 году в НИИ тепловых процессов (НИЦ имени М. В. Келдыша), а само решение о разработке ядерных космических энергоустановок на основе газофазных ядерных реакторов было принято в 1963 году академиком В. П. Глушко (НПО Энергомаш), а затем утверждено постановлением ЦК КПСС и Совета министров СССР.
Разработка газофазного ЯРД велась в Советском Союзе два десятилетия, но, к сожалению, так и не была завершена из-за недостаточного финансирования и необходимости дополнительных фундаментальных исследований в области термодинамики ядерного горючего и водородной плазмы, нейтронной физики и магнитной гидродинамики.
Советские ученые-ядерщики и инженеры-конструкторы столкнулись с рядом проблем, таких как достижение критичности и обеспечение устойчивости работы газофазного ядерного реактора, снижение потерь расплавленного урана при выбросе водорода, разогретого до нескольких тысяч градусов, теплозащита сопла и генератора магнитного поля, накопление продуктов деления урана, выбор химически стойких конструкционных материалов и пр.
А когда для советской программы «Марс-94» первого пилотируемого полета на Марс начала создаваться ракета-носитель «Энергия», проект ядерного двигателя был отложен на неопределенный срок. Советскому Союзу не хватило совсем немного времени, а главное политической воли и эффективности экономики, чтобы осуществить высадку наших космонавтов на планету Марс в 1994 году. Это было бы бесспорным достижением и доказательством нашего лидерства в высоких технологиях в течение следующих нескольких десятилетий. Но космос, как и многое другое, был предан последним руководством СССР. Историю уже не изменить, ушедших ученых и инженеров не вернуть, а утраченные знания не восстановить. Очень многое придется создавать заново.
Но космическая ядерная энергетика не ограничивается только сферой твердо- и газофазных ЯРД. Для создания нагретого потока вещества в реактивном двигателе можно использовать электрическую энергию. Эту идею первым высказал Константин Эдуардович Циолковский еще в 1903 году в своей работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами».
А первый электротермический ракетный двигатель в СССР был создан в 1930-х годах Валентином Петровичем Глушко - будущим академиком АН СССР и руководителем НПО «Энергия».
Принципы работы электрические ракетных двигателей могут быть различными. Обычно их принято делить на четыре типа:

  • электротермические (нагревные или электродуговые). В них газ нагревается до температур 1000–5000К и выбрасывается из сопла точно также как и в ЯРД.
  • электростатические двигатели (коллоидные и ионные), в которых сначала происходит ионизация рабочего вещества, а затем положительные ионы (атомы, лишенные электронов) ускоряются в электростатическом поле и также выбрасываются через канал сопла, создавая реактивную тягу. К электростатическим относятся также и стационарные плазменные двигатели.
  • магнитоплазменные и магнитодинамические ракетные двигатели. Там газовая плазма ускоряется за счет силы Ампера в пересекающихся перпендикулярно магнитном и электрическом полях.
  • импульсные ракетные двигатели, в которых используется энергия газов, возникающих при испарении рабочего тела в электрическом разряде.

Плюсом этих электрических ракетных двигателей является низкий расход рабочего тела, КПД до 60% и высокая скорость потока частиц, что позволяет значительно сократить массу космического аппарата, но есть и минус - малая плотность тяги, а соответственно низкая мощность, а также дороговизна рабочего тела (инертные газы или пары щелочных металлов) для создания плазмы.
Все перечисленные типы электродвигателей реализованы на практике и многократно использовались в космосе и на советских и на американских аппаратах начиная с середины 60-х годов, но из-за своей малой мощности применялись в основном в качестве двигателей коррекции орбит.
С 1968 по 1988 годы в СССР была запущена целая серия спутников «Космос» с ядерными установками на борту. Типы реакторов носили названия: «Бук», «Топаз» и «Енисей».
Реактор проекта «Енисей» обладал тепловой мощностью до 135 кВт и электрической мощностью порядка 5 кВт. Теплоносителем являлся натрий-калиевый расплав. Этот проект был закрыт в 1996 году.
Для настоящего маршевого ракетного электродвигателя требуется очень мощный источник энергии. И лучшим источником энергии для таких космических двигателей является ядерный реактор.
Ядерная энергетика - одна из высокотехнологичных отраслей, где наша страна сохраняет лидирующие позиции. И принципиально новый ракетный двигатель в России уже создается и этот проект близок к успешному завершению в 2018 году. Летные испытания намечена на 2020 год.
И если газофазный ЯРД - это тема будущих десятилетий к которой предстоит вернуться после проведения фундаментальных исследований, то его сегодняшняя альтернатива - это ядерная энергодвигательная установка мегаваттного класса (ЯЭДУ), и она уже создается предприятиями Росатома и Роскосмоса с 2009 года.
В создании ядерного энергодвигателя и транспортно-энергетического модуля принимают участие НПО «Красная звезда», которое на сегодняшний день является единственным в мире разработчиком и изготовителем космических ядерных энергетических установок, а также Исследовательский центр им. М. В. Келдыша, НИКИЭТ им. Н. А. Доллежаля, «НИИ НПО «Луч», «Курчатовский институт», ИРМ, ФЭИ, НИИАР и НПО Машиностроения.
Ядерная энергодвигательная установка включает в себя высокотемпературный газоохлаждаемый ядерный реактор на быстрых нейтронах с системой турбомашинного преобразования тепловой энергии в электрическую, систему холодильников-излучателей для отвода избыточного тепла в космос, приборно-агрегатный отсек, блок маршевых плазменных или ионных электродвигателей и контейнер для размещения полезной нагрузки.
В энергодвигательной установке ядерный реактор служит источником электроэнергии для работы электрических плазменных двигателей, при этом газовый теплоноситель реактора, проходящий через активную зону, попадает в турбину электрогенератора и компрессора и возвращается обратно в реактор по замкнутому контуру, а не выбрасывается в пространство как в ЯРД, что делает конструкцию более надежной и безопасной, а значит пригодной для пилотируемой космонавтики.
Планируется, что ядерная энергодвигательная установка будет применяться для многоразового космического буксира для обеспечения доставки грузов при освоении Луны или создания многоцелевых орбитальных комплексов. Плюсом будет являться не только многоразовое использование элементов транспортной системы (чего пытается добиться Илон Маск в своих космических проектах SpaceX), но и возможность доставки в три раза большей массы грузов, чем на ракетах с химическими реактивными двигателями сопоставимой мощности за счет уменьшения стартовой массы транспортной системы. Особая конструкция установки делает ее безопасной для людей и окружающей среды на Земле.
В 2014 году на ОАО «Машиностроительный завод» в г. Электросталь был собран первый тепловыделяющий элемент (твэл) штатной конструкции для этой ядерной электродвигательной установки, а в 2016 проведены испытания имитатора корзины активной зоны реактора.
Сейчас (в 2017 году) ведутся работы по изготовлению элементов конструкции установки и тестирование узлов и агрегатов на макетах, а также автономные испытания систем турбомашинного преобразования энергии и прототипов энергоблоков. Завершение работ запланировано на конец следующего 2018 года, правда, с 2015 года начало накапливаться отставание от графика.
Итак, как только эта установка будет создана, Россия станет первой в мире страной обладающей ядерными космическими технологиями, которые лягут в основу не только будущих проектов освоения Солнечной системы, но и земной и внеземной энергетики. Космические ядерные энергетические установки можно будет использовать для создания систем дистанционной передачи электроэнергии на Землю или на космические модули с помощью электромагнитного излучения. И это тоже станет передовой технологией будущего, где наша страна будет иметь лидирующие позиции.
На основе разрабатываемых плазменных электродвигателей будут созданы мощные двигательные установки для дальних полетов человека в космос и в первую очередь для освоения Марса, достичь орбиты которого можно будет всего за 1,5 месяца, а не за год с лишним, как при использовании обычных химических реактивных двигателей.
А будущее всегда начинается с революции в энергетике. И никак иначе. Энергетика первична и именно величина энергопотребления влияет на технический прогресс, на обороноспособность и на качество жизни людей.

Экспериментальный плазменный ракетный двигатель NASA

Советский астрофизик Николай Кардашёв еще в 1964 году предложил шкалу развития цивилизаций. Согласно этой шкале уровень технологического развития цивилизаций зависит от количества энергии, которое население планеты использует для своих нужд. Так цивилизация I типа использует все доступные ресурсы, имеющиеся на планете; цивилизация II типа - получает энергию своей звезды, в системе которой находится; а цивилизация III типа пользуется доступной энергией своей галактики. Человечество пока не доросло до цивилизации I типа по этой шкале. Мы используем лишь 0.16% всего объема потенциального энергетического запаса планеты Земля. А значит, и России и всему миру есть куда расти, и эти ядерные технологии откроют нашей стране дорогу не только в космос, но и будущее экономическое процветание.
И, возможно, единственный вариант для России в научно-технической сфере - это совершить сейчас революционный прорыв в ядерных космических технологиях для того чтобы одним «прыжком» преодолеть многолетнее отставание от лидеров и оказаться сразу у истоков новой технологической революции в очередном цикле развития человеческой цивилизации. Такой уникальный шанс выпадает той или иной стране лишь один раз в несколько столетий.
К сожалению, Россия, не уделявшая в последние 25 лет должного внимания фундаментальным наукам и качеству высшего и среднего образования, рискует навсегда упустить этот шанс, если программа окажется свернутой, а на смену нынешним ученым и инженерам не придет новое поколение исследователей. Геополитические и технологические вызовы, с которыми столкнется Россия уже через 10–12 лет, будут очень серьезными, сопоставимыми с угрозами середины ХХ века. Чтобы сохранить суверенитет и целостность России в будущем уже сейчас необходимо срочно начинать подготовку специалистов, способных на эти вызовы отвечать и создавать что-то принципиально новое.
Есть лишь примерно 10 лет на то, чтобы превратить Россию в мировой интеллектуально-технологический центр, и без серьезного изменения качества образования это сделать невозможно. Для научно-технологического прорыва необходимо вернуть системе образования (и школьной и ВУЗовской) системность взглядов на картину мира, научную фундаментальность и мировоззренческую целостность.
А что касается нынешнего застоя в космической отрасли, то это не страшно. Физические принципы, на которых основаны современные космические технологии будут еще долго востребованы сектором обычных спутниковых услуг. Вспомним, что человечество использовало парус на протяжении 5.5 тысяч лет, а эпоха пара длилась почти 200 лет, и лишь в ХХ веке мир начал стремительно меняться, потому что произошла очередная научно-техническая революция, запустившая волну инноваций и смену технологических укладов, что в итоге изменило и мировую экономику и политику. Главное, оказаться у истоков этих изменений.

Ядерный ракетный двигатель - ракетный двигатель, принцип действия которого основан на ядерной реакции или радиоактивном распаде, при этом выделяется энергия, нагревающая рабочее тело, которым могут служить продукты реакций либо какое-то другое вещество, например водород. Существует несколько разновидностей ракетных двигателей, использующих вышеописанный принцип действия: ядерный, радиоизотопный, термоядерный. Используя ядерные ракетные двигатели, можно получить значения удельного импульса значительно выше тех, которые могут дать химические ракетные двигатели. Высокое значение удельного импульса объясняется большой скоростью истечения рабочего тела - порядка 8-50 км/с. Сила тяги ядерного двигателя сравнима с показателями химических двигателей, что позволит в будущем заменить все химические двигатели на ядерные.

Основным препятствием на пути полной замены является радиоактивное загрязнение окружающей среды, которое наносят ядерные ракетные двигатели.

Их разделяют на два типа - твердо-и газофазные. В первом типе двигателей делящееся вещество размещается в сборках-стержнях с развитой поверхностью. Это позволяет эффективно нагревать газообразное рабочее тело, обычно в качестве рабочего тела выступает водород. Скорость истечения ограничена максимальной температурой рабочего тела, которая, в свою очередь, напрямую зависит от максимально допустимой температуры элементов конструкции, а она не превышает 3000 К. В газофазных ядерных ракетных двигателях делящееся вещество находится в газообразном состоянии. Его удержание в рабочей зоне осуществляется посредством воздействия электромагнитного поля. Для этого типа ядерных ракетных двигателей элементы конструкции не являются сдерживающим фактором, поэтому скорость истечения рабочего тела может превышать 30 км/с. Могут быть использованы в качестве двигателей первой ступени, невзирая на утечку делящегося вещества.

В 70-х гг. XX в. в США и Советском Союзе активно испытывались ядерные ракетные двигатели с делящимся веществом в твердой фазе. В США разрабатывалась программа по созданию опытного ядерного ракетного двигателя в рамках программы NERVA.

Американцами был разработан графитовый реактор, охлаждаемый жидким водородом, который нагревался, испарялся и выбрасывался через ракетное сопло. Выбор графита был обусловлен его температурной стойкостью. По этому проекту удельный импульс полученного двигателя должен был вдвое превышать соответствующий показатель, характерный для химических двигателей, при тяге в 1100 кН. Реактор Nerva должен был работать в составе третьей ступени ракеты-носителя «Сатурн V», но в связи с закрытием лунной программы и отсутствием других задач для ракетных двигателей этого класса реактор так и не был опробован на практике.

В настоящее время в стадии теоретической разработки находится газофазный ядерный ракетный двигатель. В газофазном ядерном двигателе подразумевается использовать плутоний, медленно движущаяся газовая струя которого окружена более быстрым потоком охлаждающего водорода. На орбитальных космических станциях МИР и МКС проводились эксперименты, которые могут дать толчок к дальнейшему развитию газофазных двигателей.

На сегодняшний день можно сказать, что Россия немного «заморозила» свои исследования в области ядерных двигательных установок. Работа российских ученых больше ориентирована на разработку и совершенствование базовых узлов и агрегатов ядерных энергодвигательных установок, а также их унификацию. Приоритетным направлением дальнейших исследований в этой области является создание ядерных энергодвигательных установок, способных работать в двух режимах. Первым является режим ядерного ракетного двигателя, а вторым - режим установки генерирующей электроэнергии для питания аппаратуры, установленной на борту космического аппарата.


Следующее: ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЧЕТЧИК
Предыдущее:

Первая стадия - отрицание

Немецкий эксперт в области ракетной техники Роберт Шмукер посчитал заявления В. Путина совершенно неправдоподобными. «Не могу представить, что россияне могут создать маленький летающий реактор», - рассказал эксперт в интервью «Дойче Велле».

Могут, герр Шмукер. Только представьте.

Первый отечественный спутник с ядерной энергоустановкой (“Космос-367”) был запущен с Байконура в далеком 1970 году. 37 тепловыделяющих сборок малогабаритного реактора БЭС-5 “Бук”, содержащих 30 кг урана, при температуре в первом контуре 700°С и тепловыделении 100 кВт обеспечивали электрическую мощность установки 3 кВт. Масса реактора - менее одной тонны, расчетное время работы 120-130 суток.

Эксперты выразят сомнение: слишком мала мощность у этой ядерной “батарейки”... Но! Вы посмотрите на дату: это было полвека назад.

Низкий КПД - следствие термоэмиссионного преобразования. При других формах передачи энергии показатели значительно выше, например у АЭС значение КПД находится в пределах 32-38%. В этом смысле особый интерес представляет тепловая мощность “космического” реактора. 100 кВт - серьезная заявка на победу.

Стоит отметить, БЭС-5 “Бук” не относится к семейству РИТЭГов. Радиоизотопные термоэлектрогенераторы преобразуют энергию естественного распада атомов радиоактивных элементов и обладают ничтожной мощностью. В то же время “Бук” - настоящий реактор с управляемой цепной реакцией.

Следующее поколение советских малогабаритных реакторов, появившихся в конце 1980-х гг., отличалось еще меньшими габаритами и большим энерговыделением. Таким был уникальный “Топаз”: по сравнению с “Буком” количество урана в реакторе сократилось втрое (до 11,5 кг). Тепловая мощность возросла на 50% и составила 150 кВт, время непрерывной работы достигло 11 месяцев (реактор данного типа был установлен на борту разведывательного спутника “Космос-1867”).


Ядерные космические реакторы - внеземная форма смерти. При потере управления “падающая звезда” не исполняла желаний, но могла отпустить “счастливчикам” их грехи.

В 1992 году два оставшихся экземпляра малогабритных реакторов серии “Топаз” были проданы в США за 13 млн. долл.

Главный вопрос: достаточно ли мощности у подобных установок для их использования в качестве ракетных двигателей? Путем пропуска рабочего тела (воздух) через горячую активную зону реактора и получения на выходе тяги по закону сохранения импульса.

Ответ: нет. “Бук” и “Топаз” - ядерные электростанции компактных размеров. Для создания ЯРД необходимы другие средства. Но общий тренд виден невооруженным глазом. Компактные ЯЭУ давно созданы и существуют на практике.

Какую мощность должна иметь ЯЭУ для применения в качестве маршевого двигателя крылатой ракеты, аналогичной по размерам Х-101?

Не можешь найти работу? Умножь время на мощность!
(Сборник универсальных советов.)

Найти мощность также не составит большого труда. N=F×V.

По официальным данным, крылатые ракеты Ха-101, как и КР семейства “Калибр”, оснащаются короткоресурсным ТРДД-50, развивающим тягу 450 кгс (≈ 4400 Н). Маршевая скорость крылатой ракеты - 0,8М, или 270 м/с. Идеальный расчетный КПД турбореактивного двухконтурного двигателя - 30%.

В этом случае потребная мощность двигателя крылатой ракеты всего в 25 раз превышает тепловую мощность реактора серии “Топаз”.

Несмотря на сомнения немецкого эксперта, создание ядерного турбореактивного (либо прямоточного) ракетного двигателя - реалистичная задача, отвечающая требованиям современности.

Ракета из ада

«Все это сюрприз - крылатая ракета с ядерными двигателями, - отметил Дуглас Барри, старший научный сотрудник Международного Института стратегических исследований в Лондоне. - Эта идея не нова, об этом говорили в 60-х, но она столкнулась с большим количеством препятствий».

Об этом не только говорили. На испытаниях в 1964 году ядерный прямоточный двигатель “Тори-IIС” развил тягу 16 тонн при тепловой мощности реактора 513 МВт. Имитируя сверхзвуковой полет, установка израсходовала за пять минут 450 тонн сжатого воздуха. Реактор проектировался очень “горячим” - рабочая температура в активной зоне достигала 1600°С. Конструкция имела очень узкие допуски: на ряде участков допустимая температура была всего на 150-200°С ниже температуры, при которых плавились и разрушались элементы ракеты.

Хватало ли этих показателей для применения ЯПВРД в качестве двигателя на практике? Ответ очевиден.

Ядерный ПВРД развил большую (!) тягу, чем турбопрямоточный двигатель “трехмахового” разведчика SR-71 “Блэк бёрд”.


"Полигон-401", испытания ядерного ПВРД

Экспериментальные установки “Тори-IIA” и “-IIC” - прототипы ядерного двигателя крылатой ракеты SLAM.

Дьявольское изобретение, способное, по расчетам, пронзить 160 000 км пространства на минимальной высоте со скоростью 3М. Буквально “выкашивая” всех, кто встречался на её скорбном пути, ударной волной и громовым раскатом в 162 дБ (смертельное значение для человека).

Реактор боевого ЛА не имел никакой биологической защиты. Разорванные после пролета SLAM барабанные перепонки показались бы незначительным обстоятельством на фоне радиоактивных выбросов из сопла ракеты. Летающее чудовище оставляло за собой шлейф шириной более километра с дозой излучения 200-300 рад. По расчетам, за один час полета SLAM заражала смертельной радиацией 1800 квадратных миль.

Согласно расчетам, длина летательного аппарата могла достигать 26 метров. Стартовая масса - 27 тонн. Боевая нагрузка - термоядерные заряды, которые требовалось последовательно сбросить на несколько советских городов, вдоль маршрута полета ракеты. После завершения основной задачи SLAM должна была еще несколько суток кружить над территорией СССР, заражая все вокруг радиоактивными выбросами.

Пожалуй, самое смертоносное из всех, которые пытался создать человек. К счастью, до реальных запусков дело не дошло.

Проект с кодовым названием “Плутон” был свернут 1 июля 1964 года. При этом, по словам одного из разработчиков SLAM, Дж. Крейвена, никто из военного и политического руководства США не сожалел о принятом решении.

Причиной отказа от “низколетящей ядерной ракеты” стало развитие межконтинентальных баллистических ракет. Способных нанести необходимый ущерб за меньшее время при несопоставимых рисках для самих военных. Как справедливо заметили авторы публикации в журнале Air&Space: МБР, по крайней мере, не убивали всех, кто находился рядом с пусковой установкой.

До сих пор неизвестно, кто, где и как планировал проводить испытания исчадия ада. И кто бы отвечал, если бы SLAM сбилась с курса и пролетела над Лос-Анджелесом. Одно из безумных предложений предлагало привязать ракету за трос и гонять по кругу над безлюдными районами шт. Невада. Однако сразу возникал другой вопрос: что делать с ракетой, когда в реакторе выгорят последние остатки топлива? К месту, где “приземлится” SLAM, будет нельзя приближаться в течение столетий.

Жизнь или смерть. Окончательный выбор

В отличие от мистического “Плутона” родом из 1950-х гг., проект современной ядерной ракеты, озвученный В. Путиным, предлагает создание эффективного средства для прорыва американской ПРО. Средство гарантированного взаимного уничтожения - важнейший критерий ядерного сдерживания.

Превращение классической “ядерной триады” в дьявольскую “пентаграмму” - с включением в неё средств доставки нового поколения (ядерные крылатые ракеты неограниченной дальности и стратегические ядерные торпеды “статус-6”) вкупе с модернизацией боевых блоков МБР (маневрирующий “Авангард”) есть разумный ответ на появление новых угроз. Политика Вашингтона в отношении ПРО не оставляет Москве другого выбора.

“Вы развиваете свои антиракетные системы. Дальность антиракет возрастает, точность увеличивается, это оружие совершенствуется. Поэтому нам нужно адекватно отвечать на это, чтобы мы могли преодолевать систему не только сегодня, но и завтра, когда у вас появится новое оружие.”


В. Путин в интервью NBC.

Рассекреченные подробности экспериментов по программе SLAM/Плутон, убедительно доказывают, что создание ядерной крылатой ракеты было возможно (технически осуществимо) еще шесть десятилетий назад. Современные технологии позволяет вывести идею на новый технический уровень.

Меч ржавеет от обещаний

Несмотря на массу очевидных фактов, объясняющих причины появления “супероружия президента” и развеивающих любые сомнения насчет “невозможности” создания подобных систем, в России, как и за рубежом, остается множество скептиков. “Все перечисленное оружие - лишь средство информационной войны”. И следом - самые разные предложения.

Наверное, не стоит принимать всерьез карикатурных “экспертов”, таких, как И. Моисеев. Руководитель института космической политики (?), заявивший интернет-изданию The Insider: “Нельзя на крылатую ракету ставить ядерный двигатель. Да и нет таких двигателей”.

Попытки “разоблачения” заявлений президента делаются и на более серьезном аналитическом уровне. Подобные “расследования” немедленно обретают популярность среди либерально настроенной общественности. Скептики приводят следующие аргументы.

Все озвученные комплексы относятся к стратегическим сверхсекретным вооружениям, проверить или опровергнуть существование которых не представляется возможным. (В самом послании Федеральному собранию демонстрировалась компьютерная графика и кадры пусков, неотличимые от испытаний других типов крылатых ракет.) В то же время никто не говорит, к примеру, о создании тяжелого ударного беспилотника или боевого корабля класса “эсминец”. Оружие, которое в скором времени пришлось бы наглядно продемонстрировать всему миру.

По мнению некоторых “разоблачителей”, сугубо стратегический, “секретный” контекст сообщений может указывать на их неправдоподобный характер. Что ж, если это главный аргумент, то о чем тогда спор с этими людьми?

Встречается и другая точка зрения. Шокирующие о ядерных ракетах и беспилотных 100-узловых подлодках делаются на фоне очевидных проблем ВПК, встречающихся при реализации более простых проектов “традиционных” вооружений. Заявления о ракетах, разом превзошедших все существующие образцы вооружений, имеют резкий контраст на фоне общеизвестной ситуации с ракетостроением. Скептики приводят в пример массовые отказы при пусках “Булавы” или затянувшееся на два десятилетия создание РН “Ангара”. Сама началась в 1995 году; выступая в ноябре 2017 г., вице-премьер Д. Рогозин пообещал возобновить запуски “Ангары” с космодрома “Восточный” только в... 2021 г.

И, кстати, почему без внимания был оставлен “Циркон” - главная военно-морская сенсация предыдущего года? Гиперзвуковая ракета, способная перечеркнуть все существующие концепции морского боя.

Новость о поступлении в войска лазерных комплексов привлекло внимание производителей лазерных установок. Существующие образцы оружия направленной энергии создавались на обширной базе исследований и разработок высокотехнологичного оборудования для гражданского рынка. К примеру, американская корабельная установка AN/SEQ-3 LaWS представляет “пачку” из шести сварочных лазеров суммарной мощностью 33 кВт.

Заявление о создании сверхмощного боевого лазера контрастируют на фоне весьма слабой лазерной промышленности: Россия не входит в число крупнейших мировых производителей лазерного оборудования (Coherent, IPG Photonics или китайская Han" Laser Technology). Поэтому внезапное появление образцов лазерного оружия высокой мощности вызывает у специалистов неподдельный интерес.

Вопросов всегда больше, чем ответов. Дьявол кроется в мелочах, однако официальные источники дают крайне скудное представление о новейших вооружениях. Зачастую даже неясно, система уже готова к приятию на вооружение, или её разработка находится на определенном этапе. Известные прецеденты, связанные с созданием подобного оружия в прошлом, свидетельствуют, что возникающие при этом проблемы не решаются по щелчку пальцев. Любителей технических новинок волнует выбор места для проведения испытаний КР с ядерным двигателем. Или способы связи с подводным беспилотником “Статус-6” (фундаментальная проблема: под водой не работает радиосвязь, во время проведения сеансов связи субмарины вынуждены подниматься к поверхности). Было бы интересно услышать пояснение и о способах применения: по сравнению с традиционными МБР и БРПЛ, способными начать и окончить войну в течение часа, “Статусу-6” потребуется несколько суток, чтобы добраться до побережья США. Когда там уже никого не будет!

Окончен последний бой.
Остался кто-нибудь живой?
В ответ - только ветра вой…

С использованием материалов:
Air&Space Magazine (апрель-май 1990)
The Silent War, автор John Craven

© Оксана Викторова/Коллаж/Ridus

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.

Ядерные двигатели

В конце 40-х годов на волне эйфории от перспектив использования ядерной энергии и в США и в СССР разворачиваются работы по установке ядерных двигателей на всем что способно двигаться. Особенно привлекательной идея создания такого «вечного» двига- теля была для военных. Ядерные энергетические установки (ЯЭУ) в первую очередь нашли применение в военно-морском флоте поскольку к корабельным силовым установкам не предъявлялось таких жестких габаритно-весовых требований, как например в авиации. Тем не менее и ВВС не могли «пройти мимо» возможности неограниченно увеличить рад- иус действия стратегической авиации. В мае 1946г. командование ВВС США утвердило проект создания ядерных двигателей для оснащения стратегических бомбардировщиков «Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft» (сокращенно NEPA, в переводе «Ядерная энергия для авиационных двигате- лей»). Работы по его осуществлению начались в Ок-Риджской национальной лаборатории. В 1951г. на смену ему пришла совместная программа ВВС и Комиссии по атомной этерги (КАЭ) «Aircraft Nuclear Propulsion» (ANP, «Авиационные ядерные двигатели). Компа- нией «General Electric» был создан турбореактивный (ТРД) отличавшийся от «обыкновен- ного» только тем что вместо обычной камеры сгорания стоял ядерный реактор который и нагревал сжатый компрессором воздух. Воздух при этом становился радиоактивным - от- крытая схема. В те годы к этому относились проще, но все же чтобы не загрязнять свой аэродром, самолет для взлета и посадки предполагалось оснащать и обычными дви- гателями на керосине. Первый проект атомного самолета США создавался на базе сверх- звукового стратегического бомбардировщика B-58. У разработчика (фирмы «Convair») он получил обозначение X-6. Под треугольным крылом размещались четыре атомных ТРД, кроме того, на взлете и посадке должны были работать еще 2 «обычных» ТРД. К сере- дине 1950-х был изготовлен опытный образец небольшого атомного реактора воздушного охлаждения мощностью 1 Мвт. Для его летных испытаний и испытаний защиты экипажа был выделен бомбардировщик B-36H. Экипаж летающей лаборатории находился в защитной кап- суле, но сам реактор, размещенный в бомбовом отсеке не имел биологической защиты. Летающую лабораторию назвали NB-36H. С июля 1955г. по март 1957г. она совершила 47 полетов, над пустынными районами Техаса и Нью-Мексико во время которых включался и выключался реактор. На следующем этапе был создан новый атомный реактор HTRE (пос- ледняя его модель имела мощность 35 Мвт, достаточную для работы двух двигателей) и экспериментальный двигатель X-39 успешно прошедшие совместные наземные стендовые ис- пытания. Однако к этому времени американцы поняли, что открытая схема не годится, и начали проектирование силовой установки с нагревом воздуха в теплообменнике. Новая машина фирмы «Convair» NX-2 имела схему «утка» (горизонтальное оперение располага- лось впереди крыла). Атомный реактор должен был размещаться в центроплане, двига- тели - в корме, воздухозаборники - под крылом. На самолете предполагалось исполь- зовать от 2 до 6 вспомогательных ТРД. Но в марте 1961г. программа ANP была закрыта. В 1954-1955гг. группа учёных Лос-Аламосской лаборатории подготовила доклад о возможности создания ядерного ракетного двигателя (ЯРД). КАЭ США приняла решение о начале работ по его созданию. Программа получила наименование «Ровер». Работы параллельно велись в Лос-Аламосской научной лаборатории и в Радиационной лаборато- рии в Ливерморе при Калифорнийском университете. С 1956 г. все усилия Радиационной лаборатории были направленны на создание ядерного прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ЯПВРД) по проекту PLUTO (в Лос-Аламосе занялись созданием ЯРД).

ЯПВРД планировалось установить на разрабатывавшуюся сверхзвуковую низковысотную ракету (Supersonic Low- Altitude Missile - SLAM). Ракета (сейчас ее бы назвали крылатой) была по сути беспилотным бомбардировщиком с вертикальным стартом (при помощи четырех твердотоплив- ных ускорителей). ЯПВРД включался при достижении опреде- ленной скорости уже на достаточном удалении от собствен- ной территории. Воздух поступающий через воздухозабор- ник нагревался в ядерном реакторе и, истекая через соп- ло, создавал тягу. Полет к цели и сброс боеголовок в целях скрытности должен был осуществляться на сверхниз- кой высоте на скорости втрое превышающей скорость звука. Ядерный реактор имел тепловую мощность 500 МВт, рабочая температура активной зоны составляла более 1600 град.С. Для испытаний двигателя построили специальный полигон.

Поскольку стенд был неподвижен то для обеспечения работы ЯПВРД в специальные резер- вуары закачивалось 500т. сжатого воздуха (для работы на полной мощности требовалось тонна воздуха в секунду). Перед подачей в двигатель воздух подогревали до темпера- туры более 700 град. пропуская его через четыре резервуара наполненные 14 млн. рас- каленных стальных шариков. 14 мая 1961г. прототип ЯПВРД, получивший наименование Tory-IIA, включился. Поработал он всего несколько секунд и развил только часть рас-
Советскому союзу ядерный самолет был гораздо нужней, чем США поскольку он не имел военных баз у границ США и мог действовать только со своей территории и появив- шиеся в середине 50-х стратегические бомбардировщики М-4 и Ту-95 не могли «охватить» всей территории США. Работы по изучению проблем создания ядерных силовых установок для кораблей, подводных лодок и самолётов начались уже в 1947г. однако постановле- ние Совета Министров о начале работ по летательным аппаратам с ядерным двигателем выходит только 12 августа 1955г. (к этому времени уже строилась первая советская атомная подводная лодка). ОКБ-156 Туполева и ОКБ-23 Мясищева занялись проектирова- нием летательных аппаратов с ядерными силовыми установками, а ОКБ-276 Кузнецова и ОКБ-165 Люльки разработкой самих таких силовых установок. В марте 1956г. вышло правительственное постановление о создании (для изучения влияния радиации на конструкцию самолета и его оборудование а также вопросов радиа- ционной безопасности) летающей лаборатории на базе стратегического бомбардировщика Ту-95. В 1958г. на Семипалатинский полигон был доставлен экспериментальный, «само- летный» атомный реактор. В середине 1959г. реактор был установлен на серийный само- лет получивший обозначение Ту-95ЛАЛ (Летающая Атомная Лаборатория). Реактор исполь-
зовался только как источника излучения и охлаждался водой. Радиатор системы охлаж- дения, расположенный внизу фюзеляжа, обдувался набегающим потоком воздуха. В мае- августе 1961г. Ту-95ЛАЛ совершил 34 полёта над территорией полигона. Следующим ша- гом должно было стать создание на базе Ту-95 экспериментального Ту-119. На двух (из
четырех его двигателях НК-12М (ОКБ Кузнецова) в дополнение к камерам сгорания уста- вились теплообменники, нагреваемые жидкометаллическим теплоносителем отбиравшим тепло от атомного реактора расположенного в грузовом отсеке. Двигатели получили обозначение НК-14А. В дальнейшем предполагалось, установив на самолете 4 двигателя НК-14А и увеличив диаметр фюзеляжа, создать противолодочный самолет с практически неограниченной продолжительностью полета. Однако проектирование двигателей НК-14А, а точнее его ядерной части, шло медленно из-за множества возникавших при этом проб- лем. В результате, планы создания Ту-119 так и не были реализованы. Кроме того ОКБ-156 предлагало несколько вариантов сверхзвуковых бомбардировщиков. Дальний бом- бардировщик Ту-120 с взлетным весом 85т. длинной 30,7м. размахом крыла 24,4м. и
максимальной скоростью около 1400км/ч. Другим проектом был маловысотный ударный самолет с взлетным весом 102т. длинной 37м. размахом крыла 19м. и максимальной ско- ростью 1400км/час. Самолет имел низкорасположенное треугольное крыло. Два его дви- гателя располагались в одном пакете в задней части фюзеляжа. На взлете и посадке двигатели работали на керосине. Сверхзвуковой стратегический бомбардировщик должен был иметь взлетный вес 153т. длину 40,5м. и размах крыла 30,6м. Из шести ТРД (КБ Кузнецова) два, расположенные в хвосте, были оборудованы теплообменниками и могли работать от атомного реактора. Четыре обычных ТРД размещались под крылом на пилонах. Внешне этот самолет был похож на американский средний сверхзвуковой бомбардировщик В-58. В ОКБ Мясищева также рассматривали возможность создания «ядерного» самолета на базе уже существующего бомбардировщика ЗМ путем замены обычных ТРД на атомные снаб- женные теплообменниками (реактор размещался в бомбоотсеке). Рассматривалась и воз- можность создания сверхзвукового бомбардировщика М-60. Предлагалось несколько ва-
риантов компановки с различными типами двигателей (взлетная масса 225-250т, полез- ная нагрузка - 25т., скорость - до 3000 км/час длина 51- 59м., размах крыла – 27- 31м.). Для защиты от излучения летчиков поместили в специальную герметичную капсулу а двигатели разместили в хвостовой части фюзеляжа. Визуальный обзор из капсулы ис- ключался и вести самолет к цели должен был автопилот. Для обеспечения ручного управ- ления предполагалось пользоваться телевизионными и радиолокационными экранами. Раз- работчики изначально предлагали сделать самолет беспилотным. Но военные для надеж- ности настаивали на пилотируемом варианте. Одним из вариантом был гидросамолет. Его плюсом было то, что заглушенные реакторы для уменьшения радиационного фона можно было опускать в воду. С развитием ракетостроения и появлением надежных межконтинентальных баллисти- ческих ракет и атомных ракетных подводных лодок интерес военных к атомным бомбар- дировщикам угас и работы были свернуты. Но в 1965г. к идее создания атомного проти- володочного самолета вернулись вновь. На этот раз прототипом стал тяжелый транспорт- ный Ан-22 «Антей» на котором стояли те же двигатели что и на Ту-95. Разработка НК-14А к тому времени достаточно продвинулась. Взлет и посадка должны были выпол- няться на керосине (мощность двигателей 4 х 13000 л.с.), а крейсерский полет - на атомной энергии (4 х 8900 л.с.). Продолжительность полета ограничивалась только «человечиским фактором», для ограничения получаемой экипажем дозы ее установили рав- ной 50час. Дальность полета полета при этом составила бы 27500км. В 1972г. Ан-22 с ядерным реактором на борту совершил 23 полёта в них в первую очередь проверялась радиационная защита. Однако экологические проблемы в случае аварии самолета так и не были решены возможно это и стало причиной того, что проект не был реализован. В 80-х годах возник интерес к атомному самолету, как носителю баллистических ракет. Практически постоянно находясь в воздухе он был бы неуязвим для внезапного ракетно- ядерного удара противника. На случай аварии самолета атомный реактор мог отделялся и спускался на парашюте. Но начавшиеся разрядка, «перестройка» а затем развал СССР не позволили атомному самолету взлететь. В ОКБ-301 (главный конструктор С.А.Лавочкин) середине 50-х прорабатывался воп- рос установки на межконтинентальной крылатой ракете «Буря» прямоточного ядерного двигателя (аналогично проекту «PLUTO»). Проект получил обозначение «375». Разработ- ка самой ракеты не была проблемой, подвели двигателисты. ОКБ-670 (гл. конструктор М.М.Бондарюк) долго не могло справиться с созданием прямоточного ядерного двигателя. В 1960г. проект «Буря» был закрыт вместе его ядерной версией. До испытаний ядерного двигателя дело так и не дошло. Ядерная энергия может быть использована для нагрева рабочего тела не только в воздушно-реактивном, но и в ядерном ракетном двигателе (ЯРД) которые принято делить на реактивные, в которых процесс нагрва рабочего тела (РТ) происходит непрерывно, и импульсные или пульсирующие (тоже в общем то реактивные), в которых ядерная энергия выделяется дискретно, путем серии ядерных (термоядерных) взрывов малой мощности. По агрегатному состоянию ядерного топлива в активной зоне реактора ЯРД делят на твёрдофазные, жидкофазные и газофазные (плазма). Отдельно можно выделить ЯРД в реакторе которого ядерное горючее находится в псевдосжиженом состоянии (в виде вр- ащающегося «облака» пылевидных частиц). Другой разновидностью реактивного ЯРД явля- ется двигатель использующий для нагрева РТ тепловую энергию выделяющаяся при само- произвольном делении радиоактивных изотопов (радиоактивного распада). Достоинством такого двигателя является простота конструкции, существенным недостатком - высокая стоимость изотопов (например полония-210). Кроме того при самопроизвольном рас- паде изотопа тепло выделяется постоянно, даже при выключенном двигателе, и его надо как то отводить из двигателя что усложняет и утяжеляет конструкцию. В импульсном ЯРД энергия атомного взрыва испаряет РТ, превращая его в плазму. Расширяющееся плазменное облако оказывает давление на мощное металлическое днище (плиту-толкатель) и создает реактивную тягу. В качестве РТ может быть использовано легко обращаемое в газ твердое вещество, наносимое на плиту-толкатель, жидкий водо- род или вода, хранящиеся в специальном баке. Это схема так называемого импульсного ЯРД внешнего действия, другой разновидностью является импульсный ЯРД внутреннего действия, в котором подрыв небольших ядерных или термоядерных зарядов производится внутри специальных камер (камер сгорания) снабженных реактивными соплами. Туда же подается и РТ, которое истекая через сопло создает тягу подобно обычным ЖРД. Такая система более эффективна, поскольку всё РТ и продукты взрыва используются для соз- дания тяги. Однако то, что взрывы происходят внутри некоторого объема, налагает ог- раничения на давление и температуру в камере сгорания. Импульсный ЯРД внешнего действия проще, а огромное количество выделяющийся в ядерных реакциях энергии позво- ляет даже при меньшем КПД получить хорошие характеристики таких систем. В США в 1958–63гг. разрабатывался проект ракеты с импульсным ЯРД «Орион». Были даже проведены испытания модели летательного аппарата с импульсным двигателем на обычной химической взрывчатке. Полученные результаты говорили о принципиальной воз- можности управляемого полёта аппарата таким двигателем. Первоначально «Орион» пред- полагалось запускать с Земли. Чтобы исключить возможность повреждения ракеты от на- земного ядерного взрыва для старта ее планировалось устанавливать на восемь 75-мет- ровых башен. При этом стартовая масса ракеты достигала 10000т. а диаметр толкающей плиты около 40м. Для уменьшения динамических нагрузок на конструкцию ракеты и эки- паж предусматривалось демпфирующее устройство. После цикла сжатия оно возвращало плиту в начальное положение, после чего происходил очередной взрыв. При старте каждую секунду подрывался заряд мощностью 0,1кт. После выхода из атмосферы заряды мощностью 20кт. подрывались каждые 10сек. Позднее, чтобы не загрязнять атмосферу было решено поднимать «Орион» с Земли с помощью первой ступени ракеты «Сатурн-5», а т.к ее максимальный диаметр составлял 10м. то и диаметр толкающей плиты урезали до
10 м. Эффективная тяга соответственно уменьшилась до 350 т. при собственном «сухом» весе ДУ (без РТ) 90,8т. Для доставки на поверхность Луны полезного груза в 680т. потребовалось бы взорвать около 800 плутониевых зарядов (масса плутония 525кг.) и израсходовать около 800т. РТ. Рассматривался и вариант использования «Ориона» как средства доставки ядерных зарядов к цели. Но вскоре военные от этой идеи отказались. А в 1963г. был подписан договор о запрещении ядерных взрывов в космосе на земле (в атмосфере) и под водой. Это поставило весь проект вне закона. Аналогичный проект рассматривался и в СССР, но никаких практических результатов он не имел. Как и про- ект воздушно-космического самолета (ВКС) М-19 КБ Мясищева. Проект предусматривал создание многоразовой, одноступенчатой авиационно-космической системы способной вы- водить на низкие опорные орбиты (до 185км.) полезную нагрузку массой до 40т. Для этого ВКС предполагалось оснастить ЯРД и многорежимной воздушно-реактивной ДУ рабо- тающей как от атомного реактора так и на водородном топливе. Подробнее об этом про- екте рассказано на странице . Ядерная энергия может не только непосредственно использоваться для нагрева РТ в двигателе, но и быть преобразована в электрическую энергию которая затем исполь- зуется для создания тяги в электрореактивных двигателях (ЭРД). По такой схеме пос- троены ядерные энергодвигательные установки (ЯЭДУ) состоящие из ядерных энергетичес- ких установок (ЯЭУ) и электрических ракетных двигательных установок (ЭРДУ). Устояв- шейся (общепринятой) классификации ЭРД не существует. По преобладающему «механизму» ускорения РТ ЭРД можно разделить на газодинамические (электрохимические), электро- статические (ионные) и электромагнитные (плазменные). В электрохимических электро- энергия используется для нагрева или химического разложения РТ (электронагревные, термокаталитические и гибридные) при этом температура РТ может достигать 5000 град. Ускорение РТ происходит, как в обычных ЖРД, при его прохождении через газодинамичес- кий тракт двигателя (сопло). Электрохимические двигатели потребляют наименьшую среди ЭРД мощность на единицу тяги (около 10 КВт/кГ). В электростатическом ЭРД вначале производится ионизация рабочего тела, после чего положительные ионы ускоря- ются в электростатическом поле (при помощи системы электродов) создавая тягу (для нейтрализации заряда реактивной струи в неё на выходе из двигателя инжектируются электроны). В электромагнитном ЭРД РТ разогревается до состояния плазмы (десятки тысяч градусов) проходящим через него электрическим током. Затем плазма ускоряется в электромагнитном поле («параллельно» может применяться и газодинамическое ускоре- ние). В качестве РТ в электротермических ЭРД применяются низкомолекулярные или лег- ко диссоциирующие газы и жидкости, в электростатических щелочные или тяжёлые, лег- ко испаряющиеся металлы или органические жидкости, в электромагнитных различные газы и твёрдые вещества. Важным параметром двигателя является его удельный импульс тяги (см. страницу ) характеризующий его эффективность (чем он больше тем меньше РТ расходуется на создание килограмма тяги). Удельный импульс для разных типов двига- телей изменяется в широких пределах: твердотопливный РД -2650 м/сек, ЖРД-4500 м/сек, электрохимический ЭРД - 3000 м/сек, плазменный ЭРД до 290 тысяч. Как известно ве- личина удельного импульса прямо пропорциональна квадратному корню из значения темпе- ратуры РТ перед соплом. Она (температура) в свою очередь определяется теплотворной способностью топлива. Лучший показатель среди химических топлив имеет пара бериллий + кислород - 7200ккал/кг. Теплотворная способность Урана-235 примерно в 2 млн. раз выше. Однако количество энергии которое может быть полезно использовано только в 1400 раз больше. Ограничения накладываемые конструктивными особенностями уменьшают эту цифру для твердофазного ЯРД до 2-3 (максимально достижимая температура РТ около 3000 град.). И всеже удельный импульс твердофазного ЯРД составляет примерно 9000 м/с, против 3500-4500 у современных ЖРД. У жидкофазных ЯРД удельный импульс может достигать 20000 м/сек, у газофазных, где температура РТ может достигать десятков тысяч градусов, удельный импульс составляет 15-70 тысяч м/сек. Другим важным параметром характеризующим весовое совершенство двигательной ус- тановки (ДУ) или двигателя является их удельный вес - отношение веса ДУ (с компонен- тами топлива или без) или двигателя к создаваемой тяге. Применяется и обратная ей величина - удельная тяга. Удельный вес (тяга) определяет достижимое ускорение ле- тательного аппарата, его тяговооруженность. У современных ЖРД удельный вес составля- ет 7-20 кг. тяги на тонну собственного веса т.е. отношение тяги к весу достигает 14. У ЯРД также неплохое отношение тяги к собственному весу - до 10. При этом для ЖРД, использующих кислородно-водородное топливо, отношение массы РТ к массе конструкции находится в пределах 7-8. У твердофазных ЯРД этот параметр снижается до 3-5, что обеспечивает выигрыш в удельном весе ДУ с учетом веса РТ. У ЭРД развиваемая тяга ограничивается большим расходом энергии на создание 1кг. тяги (от 10 кВт до 1МВт). Максимальная тяга существующих ЭРД – несколько килограмм. При наличии в ЭРДУ допол- нительных элементов, связанных с электропитанием ЭРД тяговооружённость аппарата с такой ДУ много меньше единицы. Это делает невозможным их использование для вывода полезных грузов на околоземную орбиту (некоторые ЭРД вообще могут работать лишь в условиях космического вакуума). ЭРД имеет смысл применять только в космических аппа- ратах как двигатели малой тяги для ориентации, стабилизации и коррекции орбит. Из- за малого расхода рабочего тела (большой удельный импульс) время непрерывной работы ЭРД может измеряться месяцами и годами. Обеспечение ЭРД электроэнергией от ядерного реактора позволит применять их для полетов на «окраины» Солнечной системы, где мощ- ности солнечных батарей будет недостаточно. Таким образом основным преимуществом ЯРД перед другими видами РД является их большой удельный импульс, при высокой тяговооруженности (десятки, сотни и тысячи тонн тяги при значительно меньшем собственном весе). Основным недостатком ЯРД явля- ется наличие мощного потока проникающей радиации а также вынос высокорадиоактивных соединений урана с отраборанным РТ. В этой связи ЯРД неприемлем для наземных пусков. Работы по созданию ЯРД и ЯЭУ в СССР начались в середине 50-х годов. В 1958г. Совет Министров СССР принял ряд постановлений о проведении научно-исследовательских работ по созданию ракет с ЯРД. Научное руководство было поручено М.В.Келдышу, И.В. Курчатову и С.П.Королеву. К работам были привлечены десятки исследовательских, проектно-конструкторских, строительных и монтажных организаций. Это НИИ-1 (ныне Исследовательский центр им.Келдыша), ОКБ-670 (гл.конструктор М.М.Бондарюк), Инсти- тут атомной энергии (ИАЭ, ныне Курчатовский институт) и Физико-энергетический инсти- тут (ныне ФЭИ имени Лейпунского), НИИ приборостроения (гл.конструктор А.С.Абрамов), НИИ-8 (ныне Научно исследовательский и конструкторский институт – НИКИЭТ им.Долежа- ля) и ОКБ-456 (ныне НПО «Энергомаш» им.Глушко), НИИТВЭл (НПО «Луч», ныне Подольский научно-исследовательский технологический институт- ПНИТИ), НИИ-9 (ныне Высокотехно- логический научно-исследовательский институт неорганических материалов - ВНИИНМ им. А.А. Бочвара) и др. В ОКБ-1 (в последующем наименование менялось на Центральное КБ эксперименталь- ного машиностроения - ЦКБЭМ, НПО «Энергия», РКК «Энергия» им.Королева) разрабатыва- лись эскизные проекты одноступенчатой баллистической ракеты ЯР-1 и двухступенчатой ядерно-химической ракеты ЯХР-2. В обеих предусматривалось применение ЯРД тягой 140т. Проекты были готовы к 30 декабря 1959г. однако создание боевой ЯР-1 было признано нецелесообразным и работы по ней прекратили. ЯХР-2 имела схему аналогичную Р-7, но с шестью боковыми ракетными блоками первой ступени, оснащенными двигателями НК-9. Вторая ступень (центральный блок) оснащалась ЯРД. Стартовая масса ракеты составляла 850-880т. при массе полезного груза 35-40т. (рассматривался и вариант со стартовой массой 2000т. длиной 42м. максимальным поперечным размером 19м. полезная нагрузка до 150т.). Двигатели всех блоков ЯХР-2 запускались на Земле. При этом ЯРД выводился на «холостой» режим (мощность реактора составляла 0,1% от номинальной при отсутст- вии расхода рабочего тела). Вывод на рабочий режим производился в полете за несколь- ко секунд до отделения боковых блоков. В середине 1959г. ОКБ-1 выдало технические задания двигателистам (ОКБ-670 и ОКБ-456) на разработку эскизных проектов ЯРД с тя- гой 200 и 40т. После начала работ над тяжелым носителем Н-1 рассматривался вопрос о создании на его основе двухступенчатого носителя с ЯРД на второй ступени. Это обеспечило бы увеличение полезной нагрузки выводимой на околоземную орбиту не менее чем в 2-2,5 раза, а орбиту спутника Луны на 75-90% . Но и этот проект завершен не был – ракета Н-1 так и не полетела. Проектированием ЯРД занимались ОКБ-456 и ОКБ-670. Ими были выполнены несколько эскизных проектов ЯРД с твердофазным реактором. Так в ОКБ-456 к 1959г. были готовы эскизные проекты двигателей РД-401 с водным замедлителем и РД-402 с бериллиевым за- медлителем, имевших тягу в пустоте 170т. при удельном импульсе тяги 428сек. Рабочим телом служил жидкий аммиак. К 1962г. по техзаданию ОКБ-1 был выполнен проект РД-404 тягой 203т. при удельном импульсе тяги 950сек. (РТ - жидкий водород), а в 1963г. - РД-405 с тягой 40-50т. Однако в 1963г. все усилия ОКБ-456 были перенаправлены на разработку газофазных ЯРД. Несколько проектов ЯРД с твердофазным реактором и аммич- но-спиртовой смесью в качестве РТ разработало в те же годы ОКБ-670. Для перехода от эскизного проектирования к созданию реальных образцов ЯРД необ- ходимо было решить еще множество вопросов и в первую очередь исследовать работоспо- собность тепловыделяющих элементов (ТВЭл) ядерного реактора при высоких температу- рах. Курчатов в 1958г. предложил создать для этого реактор взрывного действия (РВД, современное название импульсный графитовый реактор - ИГР). Его проектирование и изготовление было поручено НИИ-8. В РВД тепловая энергия деления урана не отводи- лась за пределы активной зоны, а нагревала до весьма высоких температур графит из которого (вместе с ураном) она и складывалась. Понятно, что работать такой реактор мог лишь кратковременно – импульсами, с остановками на расхолаживание. Отсутствие в активной зоне каких-либо металлических деталей позволяло производить «вспышки» мощность которых ограничивалась только температурой возгонки графита. В центре ак- тивной зоны имелась полость, в которой располагались испытуемые образцы. В том же 1958г. на Семипалатинском полигоне, недалеко от места испытаний первой атомной бом- бы, началось строительство необходимых зданий и сооружений. В мае-июне 1960г. был осуществлен физический («холодный») пуск реактора, а через год проведена серия пус- ков с разогревами графитовой кладки до 1000 град. Для обеспечения экологической безопасности стенд был построен по «закрытой» схеме - отработанный теплоноситель пред выбросом в атмосферу выдерживался в газгольдерах, а затем фильтровался. С 1962г. на ИГР (РВД) проводились испытания ТВЭлов и тепловыделяющих сборок (ТВС) раз- личных типов для реакторов ЯРД, разрабатывавшихся в НИИ-9 и НИИ-1. Во второй половине 50-х годов в НИИ-1 и ФЭИ были проведены исследования газоди- намики газовых ТВЭлов и физики газофазных реакторов которые показали принципиальную возможность создания газофазных ЯРД. В рабочей камере такого двигателя при помощи магнитного поля создаваемого окружающим ее соленоидом создавалась «застойная» зона в которой уран разогревался до температур около 9000 град. и нагревал протекающий через эту зону водород (для улучшения поглощения лучистой энергии к нему добавля- лись специальные присадки). Некоторая часть ядерного топлива неизбежно уносилась газовым потоком поэтому приходилось постоянно компенсировать убыль урана. Газофаз- ный ЯРД мог иметь удельный импульс до 20000 м/сек. Работы над таким двигателем нача- лись в 1963г. в ОКБ-456 (при научном руководстве НИИ-1). В 1962г. в ФЭИ был создан экспериментальный стенд ИР-20 с твердофазным реакто- ром, замедлителем в котором являлась вода. На нем были впервые изучены физические параметры твердофазных реакторов ЯРД послужившие основой для последующих конструк- ций. В 1968г. с учетом опыта, полученного на стенде ИР-20 здесь же был сооружен фи- зический стенд «Стрела», на котором установлен реактор, представлявший собой кон- струкцию достаточно близкую к реактору летного образца ЯРД. Следующим шагом на пути создания ЯРД стало создание специального экспериментального стенда для испытаний наземного прототипа реактора ЯРД. В 1964г. вышло Постановление правительства о строительстве на Семипалатинском полигоне стендового комплекса для испытаний ЯРД получившего наименование «Байкал». К февралю 1965г. в ИАЭ было готово техническое задание на разработку реактора для комплекса «Байкал» (он получил индекс ИВГ-1 ис- следовательский высокотемпературный газоохлаждаемый). К его проектированию приступа- ет НИИ-8 (при научном руководстве ИАЭ). Разработка и изготовление ТВС возлагаются на НИИТВЭл. В 1966г. разработку первого советского твердофазного ЯРД (получившего индекс 11Б91 или РД-0410) передали в Воронежское КБ Химавтоматики (КБХА) Гл. конструктора А.Д.Конопатова. В 1968г. в НПО «Энергомаш» (ОКБ-456) была закончена разработка эскизного проек- та двигателя с газофазным реактором. Двигатель получивший обозначение РД-600 должен был иметь тягу около 600т. при собственной массе около 60т. В качестве замедлителя и отражателя использовался бериллий и графит. РТ - водород с добавкой лития. 24 мая 1968г. вышло постановление правительства предусматривавшее создание ЯРД на основе предложенного проекта, а также строительство стендовой базы для его испытаний, полу- чившей название «Байкал-2». Параллельно с разработкой летного образца ЯРД 11Б91 в КБХА, его стендовый про- тотип (ИР-100) создавался в НИИ-1. В 1970г. было осуществлено объединение этих ра- бот (программа получила индекс 11Б91-ИР-100) и вся конструкторская работа по стен- довым и летным образцам ЯРД сосредоточилась в КБХА. Физический пуск первого реак- тора ЯРД 11Б91-ИР-100 был произведен в ФЭИ на стенде «Стрела». На нем была проведе- на обширная программа исследований. Строительство комплекса «Байкал» продолжалось несколько лет. Комплекс должен был состоять из двух шахт куда экспериментальные реакторы опускались помощью козло- вого крана. 18 сентября 1972г. состоялся физический пуск реактора ИВГ-1 в составе первого рабочего места комплекса «Байкал». Он мог использоваться и как стендовый прототип будущего ЯРД тягой 20–40т. и как стенд для испытания новых видов ядерного топлива. Реактор имел отражатель из бериллияп замедлителем была вода. Его активная зона состояла из 31 ТВС. Водород, охлаждающий ядерное топливо, мог нагреваться до 2500 град, а в специальном центральном канале можно было получить и все 3000. Энер- гетический пуск состоялся только в начале марта 1975г. что объяснялось необходимос- тью завершения строительства всех зданий и сооружений стендового комплекса, выполне- ния большого объема пуско-наладочных робот и подготовкой персонала. В подземном бун- кере, расположенном между шахтами, находились приборы. Еще в одном расположенном на удалении 800м. находился пульт управления. На пульт управления можно было попасть из безопасной зоны через полуторакилометровый подземный тоннель. Рядом с шахтой на глубине 150м. размещалась сферическая емкость куда закачивали под большим давлением газообразный водород. Нагретый в реактор почти до 3000 град. водород выбрасывался прямо в атмосферу. Однако вынос продуктов деления при этом был близок к радиоактив- ным выбросам АЭС при их нормальной работе. И все же приближаться к шахте ближе полу- тора километров не разрешалось в течение суток, а к самой шахте нельзя было подхо- дить в течение месяца. За 13 лет работы было осуществлено 28 «горячих» пуска реак- тора ИВГ-1. В составе 4-х опытных активных зон было испытано около 200 газоохлаж- даемых ТВС. Наработанный на номинальной мощности ресурс ряда сборок составил 4000 сек. Многие результаты этих испытаний существенно превосходят полученные в процессе работ по программе ЯРД в США, так максимальная плотность тепловыделения в активной зоне реактора ИВГ-1 достигала 25 кВт/куб.см. против 5,2 у американцев, температура водорода на выходе из тепловыделяющих сборок составляла около 2800 град против 2300 у американцев. В 1977г. было введено в эксплуатацию второе-А рабочее место стендового комплек- са «Байкал» на котором 17 сентября 1977г. был осуществлен физический пуск первого стендового реактора для ЯРД 11Б91-ИР-100 который получил обозначение ИРГИТ. Через полгода, 27 марта 1978г. проведен энергетический пуск. В ходе которого была достиг- нута мощность 25 МВт (15% от проектной), температура водорода – 1500 град, время работы составило 70сек. В ходе испытаний 3 июля 1978г. и 11 августа 1978г. была дос- тигнута мощность 33 МВт и 42 МВт температура водорода составила 2360 град. В конце 70-х, начале 80-х годов на стендовом комплексе проведены еще две серии испытаний - второго и третьего аппаратов 11Б91-ИР-100. Продолжались и испытания ТВС в реакторах ИГР и ИВГ, велось строительство сооружений, имевшее целью ввод в эксплуатацию второ- го-Б рабочего места для испытаний двигателя на жидком водороде. Одновременно на расположенном в Подмосковном Загорске стенде проводились испы- тания так называемого «холодного» двигателя 11Б91Х не имевшего ядерного реактора. Подогрев водорода происходил в специальных теплообменниках от обычных кислород-во- дородных горелок. К 1977г. все задачи по отработке «холодного» двигателя удалось решить (агрегаты могли работать часами). В принципе ЯРД был создан и подготовка его к летным испытаниям была делом еще нескольких лет. ЯРД 11Б91 имел гетерогенный ре- актор на тепловых нейтронах, замедлителем служил гидрид циркония, отражателем берил- лиий, ядерное топливо- материал на основе карбидов урана и вольфрама, с содержанием урана-235 около 80%. Это был сравнительно небольшой металлический цилиндр диаметром около 50см. и длиной около метра. Внутри - 900 тонких стержней, в которых находится карбид урана. Реактор ЯРД был окружен отражателем нейтронов из бериллия, в который были врезаны барабаны, покрытые с одной стороны поглотителем нейтронов. Они играли роль регулирующих стержней - в зависимости от того, какой стороной барабаны были обращены к активной зоне, они поглощали больше или меньше нейтронов, регулируя мощ- ность ректора (такая же схема была и у американцев). Примерно в 1985г. ЯРД 11Б91 мог бы совершить свой первый космический полет. Но этого не произошло по множеству причин. К началу 80-х годов были достигнуты сущест- венные успехи в разработке высокоэффективных ЖРД, что наряду с отказом от планов освоения Луны и других ближайших планет Солнечной системы, поставили под вопрос це- лесообразность создания ЯРД. Возникшие экономические трудности и так называемая «Перестройка» привели к тому, что вся космическая отрасль оказалась «в опале» и в 1988г. работы по ЯРД в СССР были прекращены. Идею использования электроэнергии для создания реактивной тяги К.Э.Циолковский высказал еще в 1903г. Первый экспериментальный ЭРД был создан в Газодинамической ла- боратории (г. Ленинград) под руководством В.П.Глушко в 1929-1933гг. Изучение возмож- ности создания ЭРД началось в конце 50-х годов в ИАЭ (под руководством Л.А.Арцимо- вича), НИИ-1 (под руководством В.М.Иевлева и А.А.Поротникова) и ряде других орга- низаций. Так в ОКБ-1 велись исследования направленные на создание ядерного ЭРД. В 1962г. в эскизный проект РН Н1 вошли «Материалы по ЯЭРД для тяжелых межпланетных ко- раблей». В 1960г. вышло постановление правительства об организации работ по ЭРД. Кроме ИАЭ и НИИ-1, к работе были подключены десятках других НИИ, КБ и организаций. К 1962г. в НИИ-1 был создан импульсный плазменный двигатель (ИПД) эрозионного типа. В ИПД плазма образуется вследствие испарения (абляции) твердого диэлектрика (фторо- пласт-4 он же тефлон) в импульсном (искровом) электрическом разряде длительностью несколько микросекунд (импульсная мощность 10-200 МВт) с последующим электромагнит- ным ускорением плазмы. Первые ресурсные испытания такого двигателя начались 27 мар- та и продолжались до 16 апреля 1962г. При средней потребляемой мощности 1кВт (им- пульсная - 200 МВт) тяга составила 1г. -«цена» тяги 1 кВт/г. Для испытаний в кос- мосе требовалась примерно в 4 раза меньшая «цена» тяги. Таких параметров удалось достичь к концу 1962г. Новый двигатель потреблял 50 Вт (импульсная мощность 10 МВт) на создание тяги 0.2г. (позднее «цену» тяги довели до 85Вт за 1г.). В марте 1963г. была создана и испытана ДУ системы стабилизации КА на основе ИПД включавшая шесть двигателей, преобразователь напряжения (искровой разряд создавался конденсаторы ём- костью 100 мкф с напряжением 1кВ), программно-коммутирующее устройство, высоковольт- ные герморазъемы и другое оборудование. Температура плазмы достигала 30 тыс.град. а скорость истечения 16км/сек. Первый запуск КА (межпланетной станции типа «Зонд») с ЭРД наметили на ноябрь 1963г. Пуск 11 ноября 1963г. закончился аварией РН. Только 30 ноября 1964г. АМС «Зонд-2» с ЭРД на борту успешно стартовала в сторону Марса. 14 декабря 1964г. на расстоянии более 5 млн.км от Земли были включены плазменные двига- тели (газодинамические двигатели на это врнмя были выключены) работавшие от солнеч- ных батарей. В течение 70мин. шесть плазменных двигателей поддерживали необходимую ориентацию станции в пространстве. В США в 1968г. был запущен спутник связи «LES-6» с четырьмя эрозионными ИПД которые функционировали в течение более чем 2 лет. Для дальнейших работ по ЭРД было организовано ОКБ «Факел» (на базе ОКБ им. Б.С. Стечкина г.Калининград). Первой разработкой ОКБ «Факел» стала ЭРДУ системы стаби- лизации и ориентации для КА военного назначения типа «Глобус» (ИСЗ «Горизонт»), близкая к ИПД «Зонд-2». С 1971г. в системе коррекции орбиты метеоспутника «Метеор» использовались два плазменных двигателя ОКБ «Факел», каждый из которых при весе 32,5кг потреблял около 0,4кВт, развивая при этом тягу около 2г. скорость истечения свыше 8 км/сек запас РТ (сжатый ксенон) составлял 2,4кг. С 1982г. на геостационар- ных спутниках связи «Луч» используются ЭРД разработанные ОКБ «Факел». До 1991г. ЭРД успешно работали на 16 КА. Подробнее о ЭРД будет рассказано на отдельной страни- це сайиа. Тяга созданных ЭРД ограничивалась электрической мощностью бортовых источников энергии. Для увеличения тяги ЭРДУ до нескольких килограмм требовалось увеличить мощ- ность до нескольких сот киловатт, что практически было невозможно традиционными ме- тодами (аккумуляторы и солнечные батареи). Поэтому параллельно с работами по ЭРД в ФЭИ, ИАЭ и др. организациях развернулись работы по непосредственному преобразованию тепловой энергии ядерного реактора в электрическую. Исключение промежуточных этапов превращения энергии и отсутствие движущихся частей, позволяло создать компактные, лёгкие и надежные энергетические установки достаточно большой мощности и ресурса, пригодные для использования на КА. В 1965г. в ОКБ-1 совместно с ФЭИ был разработан эскизный проект ядерного ЭРД ЯЭРД-2200 для межпланетного корабля с экипажем. Двига- тельная установка состояла из двух блоков (каждый имел свою ЯЭУ), электрическая мощ- ность каждого блока составляла 2200кВт тяга 8,3кг. Магнитоплазменный двигатель имел удельный импульс около 54000 м/сек. В 1966-70гг. был разработан эскизный проект тер- моэмиссионной ЯЭУ (11Б97) и ЭРД для марсианского комплекса, выводимого РН Н1М. Ядер- ная ЭРДУ собиралась из отдельных блоков электрическая мощность одного блока до 5 Мвт. тяга ЭРД - 9,5кг. при у дельном импульсе тяги 78000м/сек. Однако создание мощ- ных ядерных источников электроэнергии потребовало значительно больше времени чем предполагалось. Первыми практическое применение, благодаря простоте конструкции и малому весу нашли радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ) использовав- шие тепло самопроизвольного деления радиоактивных изотопов (например полоний-210). Термоэлектрический преобразователь представлял собой по сути обычную термопару. Однако их сравнительно низкая энергоемкость РИТЭГ и высокая стоимость применяемых изотопов сильно ограничивали их применение. Использование термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей энергии в сочетании с ядерными реакторами объеди- ненными в единый блок (реактор-преобразователь) имело лучшие перспективы. Для экс- периментальной проверки возможности создания малогабаритного реактора-преобразова- теля, в ИЭА (совместно с НПО «Луч») в 1964г. была создана экспериментальная установ- ка «Ромашка». Тепло, выделяемое в активной зоне нагревало расположенный на внешней поверхности реактора термоэлектрический преобразователь состоящий из большого числа кремний-германиевых полупроводниковых пластин в то время как другая их поверхность охлаждалась радиатором. Электрическая мощность составила 500 Вт. при тепловой мощ- ности реактора 40 кВт. Испытания «Ромашки» вскоре были прекращены поскольку уже проходила испытания ЯЭУ БЭС-5 («Бук») значительно большей мощности. Разработка ЯЭУ БЭС-5 с электрической мощностью 2800Вт, предназначенной для электропитания аппарату- ры КА радиолокационной разведки УС-А началась в 1961г. на НПО «Красная Звезда» при научном руководстве ФЭИ. Первый полет КА УС-А (3 октября 1970г.«Космос-367») прошел неудачно - ЯЭУ БЭС-5 проработала 110 мин. после чего произошло расплавление актив- ной зоны реактора. Следующие 9 запусков доработанной ЯЭУ прошли успешно и в 1975г. КА УС-А был принят на вооружение ВМФ. В январе 1978г. из-за отказа КА УС-А («Космос -954» фрагменты ЯЭУ «Бук» упали на территории Канады. Всего (до снятия с вооружения в 1989г.) было произведено 32 запуска этих КА. Параллельно работам по созданию ЯЭУ с термоэлектрическими генераторами прово- дились работы по ЯЭУ с термоэмиссионными преобразователями которые имели более высо- кие КПД, ресурс и массогабаритные характеристики. В термоэмиссионном ЯЭУ использует- ся эффект термоэлектронной эмиссии с поверхности достаточно нагретого проводника. Для отработки термоэмиссионных преобразователей большой мощности в 1964г. была соз- дана реакторная база в Киеве (в 1970г. такая же база появилась в Алма-Ате). Работы проводились двумя разработчиками -на НПО «Красная Звезда» (научное руководство ФЭИ) разраатывалась ЯЭУ «Топаз» электрической мощностью 5-6,6 кВт. для спутников радиоло- кационной разведки, «Энерговак-ЦКБМ» (научное руководство РНЦ «Курчатовский инсти- тут») разрабатывало ЯЭУ «Енисей» для КА телевизионного вещания «Экран-АМ». ЯЭУ «Топаз» дважды была испытана в условиях космоса на борту КА «Плазма-А» (2 февраля 1987г. «Космос-1818» и 10 июля 1987г. «Космос-1867»). При расчётном ресурсе в один год, уже во втором полете «Топаз» проработал более 11 месяцев, но на этом запуски прекратились. Работы по ЯЭУ «Енисей» были прекращены на стадии наземных испытаний в связи прекращением работ по КА, для которого она предназначалась. Подробнее о Ядер- ных источниках энергии для КА будет рассказано на отдельной странице сайта. В 1970г. в НПО «Энергомаш» был разработан эскизный проект космической ЯЭУ с газофазным реактором (с непроточной зоной делящегося вещества) ЭУ-610 электрической мощностью 3,3 гВт. Однако возникшие в ходе работ проблемы не позволили реализовать этот проект. В 1978г. на НПО «Красная Звезда» были разработаны технические предложения на 2 варианта ЯЭРДУ «Заря-3» электрической мощностью 24 кВт и ресурсом более года. Пер- вый вариант является модификацией ЯЭУ «Топаз-1», другой имел оригинальную схему (вынесенные ТЭП с тепловыми трубами). Работы по установкам были прекращены из-за отсутствия привязки к конкретному КА. В период 1981-86г.г. был выполнен большой объём проектно-конструкторских и экс- периментальных работ, свидетельствующий о принципиальной возможности увеличения ре- сурса ЯЭУ до 3-5 лет и электрической мощности до 600 кВт. В 1982г. НПО «Энергия» (ЦКБЭМ) по техзаданию МО разработало техническое предложение по ядерному межорби- тальному буксиру «Геркулес» электрической мощностью 550 кВт, выводимому на опорную орбиту высотой 200км. комплексом «Энергия-Буран» или РН «Протон». В 1986г. было разработано техническое предложение по использованию межорбитального буксира с ядерным ЭРД для транспортирования на геостационарную орбиту полезных грузов массой до 100т, выводимых на опорную орбиту РН «Энергия». Но продолжения эти работы не получили. Таким образом в СССР так и не было создано реально работающей ядерной ЭРДУ, хотя ЯЭУ успешно эксплуатировались на серийных КА. Первым и единственным КА имевшим ЯЭУ с ЭРД былл американский «Snapshot», запу- щенный 3 апреля 1965г. Электрическая мощность реактора-преобразователя составляла 650 Вт. На аппарате был установлен экспериментальный ионный двигатель. Однако первое же включение ЭРД (на 43-й день полета) привело к аварийному глушению реакто- ра. Возможно причиной этого стали высоковольтные пробои сопровождавшие работу ЭРД в результате чего прошла ложная команда на сброс отражателя реактора, что и повлек- ло за собой его глушение. В 1992г. США приобрели в России две ЯЭУ «Енисей». Один из реакторов предполагалось использовать в 1995г. в «Космическом эксперименте с ядерной ЭРДУ». Однако в 1996г. проект был закрыт. В США исследования по проблеме создания ЯРД велись в Лос-Аламосской лаборато- рии с 1952г. В 1957г. начались работы по программе «Ровер». В отличии от СССР, где велась поэлементная отработка ТВС и других элементов двигателя, в США пошли по пути создания и испытания сразу реактора целиком. Первый реактор получивший наиме- нование «Киви-А» («KIWI-А») был испытан 1 июля 1959г. на специальном полигоне в штате Невада. Это был гомогенный реактор активная зона которого была собрана из ни- чем не защищенные пластины состоящие из смеси графита и оксида урана-235 обогащен- ного до 90%. Замедлителем нейтронов служила тяжелая вода. Оксид урана не выдерживал высоких температур, и водород, проходивший в каналах между пластин мог нагреваться только до 1600 град. Мощность этих реакторов составляла всего 100 МВт. Испытания «Киви-А», как и все последующие проводились с открытым выбросом. Активность продук- тов выхлопа была невысокой и ограничений на проведение работ в зоне испытаний прак- тически не вводилось. Испытания реактора завершились 7 декабря 1961г. (в ходе пос- леднего пуска разрушилась активная зона, отмечен выброс в выхлопную струю обломков пластин). Полученные результаты шести «горячих испытаний» ЯРД оказались весьма обнадёживающими, и в начале 1961г. был подготовлен доклад о необходимости испытаний реактора в полёте. Однако вскоре «головокружение» от первых успехов стало проходить, пришло понимание того, что на пути создания ЯРД стоит множество проблем решение ко- торых потребует много времени и денег. Кроме того прогресс в создании химических двигателей для боевых ракет оставил для применения ЯРД лишь космическую сферу. Нес- мотря на то, что с приходом в белый дом администрации Кеннеди (в 1961г.) работы по самолету с атомным двигателем были прекращены, программа «Ровер» была названа «од- ним из четырех приоритетных направлений в завоевании космоса» и получила дальнейшее развитие. Были приняты новые программы «Рифт» (RIFT- Reactor In Flight Test- реак- тор в испытательном полете) и «Нерва» (NERVA - Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) создание летного варианта ЯРД. Испытания реакторов серии «Киви» продолжились. 1 сентября 1962г. был испытан «Киви-В» мощностью 1100 МВт работавший на жидком водороде. Оксид урана был заменен на более термостойкий карбид, вдобавок старжни стали покрывать карбидом ниобия, но в ходе испытания при попытках достичь проектной температуры реактор начинал разру- шаться (через сопло начали вылетать обломки пластин). Следующий пуск состоялся 30 ноября 1962г. но после 260сек. работы испытание было прекращено вследствие появле- ния внутри реактора сильной вибрации и вспышек пламени в выхлопной струе. В резуль- тате этих неудач намеченные на 1963г. испытания реакторов «Киви-В» перенесли на следующий год. В августе 1964г. было проведено еще одно испытание в ходе которого двигатель работал на мощности в 900 МВт более восьми минут, развивав тягу 22,7т. при скорости истечения 7500 м/сек. В самом начале 1965г. было проведено последнее испытание в ходе которого реактор был разрушен. Его специально довели до взрыва в результате быстрого «разгона». Если нормально переход реактора с нулевой мощности на полную требует десятков секунд то при этом испытании длительность такого перехо- да определялась лишь инерцией регулирующих стержней и примерно через 44 миллисекун- ды после их перевода в положение полной мощности произошел взрыв эквивалентный 50 –60кг. тринитротолуола. Программа «Рифт» предполагала запуск ракеты «Сатурн-В» с экспериментальным ре- актором по баллистической траектории на высоту до 1000км. и последующее их падение в южную часть Атлантического океана. Перед входом в воду реактор ЯРД должен был быть взорван (о радиационной безопасности тогда мало кто думал). Но из года в год выполнение программы задерживалась и она в конце концов так и не была реализована. На первом этапе работы по двигателю «НЕРВА» базировались на несколько модифици- рованном реакторе «Киви-В», получившем название «NERVA-NRX» (Nuclear Rocket Experi- mental - ядерная ракета экспериментальная). Поскольку к этому времени еще не был найден материал, способный работать при 2700–3000 град. и противостоять разрушению горячим водородом было принято решение снизить рабочую температуру и удельный им- пульс ограничился величиной 8400м/сек. Испытания реактора начались в 1964г., в них была достигнута мощность 1000 МВт, тяга примерно 22,5т. скорость истечения более 7000м/с. В 1966г. впервые было произведено испытание двигателя на полной мощности 1100 МВт. На которой он проработал 28 мин. (из 110 минут работы). Температура водо- рода на выходе из реактора достигала 2000 град., тяга 20 т. На следующем этапе программы предполагалось использовать более мощные реакторы «Феб» («Phoebus», а затем «Pewee»). Разработка усовершенствованных твердофазных графитовых реакторов для двигателя «НЕРВА» по программе «Phoebus» велась в Лос-Аламосская лаборатория еше с 1963г. Первый из этих реакторов имеет примерно такие же размеры, как и «Киви -В» (диаметр 0,813 м., длину 1,395 м.), однако рассчитан на примерно вдвое большую мощность. На базе этого реактора планировалось создать двигатель «НЕРВА-1». Следую- щая модификация мощностью порядка 4000–5000 МВт должна была использоваться для дви- гателя «НЕРВА-2». Этот двигатель с тягой в диапазоне 90-110т. должен был иметь ско- рость истечения до 9000м/с. Высота двигателя примерно 12м. наружный диаметр - 1,8м. Расход рабочего тела 136кг/с. Вес двигателя «НЕРВА-2» составлял примерно 13,6т. из-за финансовых трудностей от двигателя «НЕРВА-2» вскоре отказались и переключи- лись на проектирование двигателя «НЕРВА-1» повышенной мощности с тягой 34т. ско- ростью истечения 8250м/с. Первое испытание реактора «NRX-A6» для этого двигателя, было проведено 15 декабря 1967г. В июне 1969г. состоялись первые горячие испытания экспериментального двигателя «NERVA ХЕ» на тяге 22,7т. Общее время работы двигате- ля составило 115 минут, было произведено 28 пусков. ЯРД «НЕРВА-1» имел гомогеннный реактор с активной зоной диаметром 1м. и высо- той 1,8м. состявшей из 1800 стержневых шестигранных ТВЭлов (концентрация ядерного горючего 200 – 700 мг/куб.см.). Реактор имел кольцевой отражатель толщиной около 150 мм, из окиси бериллия. Силовой корпус реактора выполнен из алюминиевого сплава, внутренний радиационный защитный экран из композитногно материала (карбид бора–алю- миний–гидрид титана). Между реактором и турбонасосными агрегатами может устанавли- ваться также дополнительная внешняя защита. НАСА считало двигатель пригодным для планировавшегося полёта на Марс. Его предполагалось установить на верхней ступени РН «Сатурн-5». Такой носитель мог бы выносить в космос в два или три раза больше полезной нагрузки, чем его чисто химическая версия. Но большая часть американской космической программы была отменена администрацией президента Никсона. А прекраще- ние в 1970г. производства ракет «Сатурн-5» поставило окончательный крест на програм- ме использования ЯРД. В Лос-Аламосе работа над двигателями «Pewee» по программе «Rover» продолжалась еще до 1972г. после чего программа была окончательно закрыта. Главное отличие наших ЯРД от американских в том что они были гетерогенными. В гомогенных (однородных) реакторах ядерное топливо и замедлитель смешаны. В отечест- венном ЯРД ядерное топливо было сосредоточено в ТВЭЛах (отдельно от замедлителя) и было заключено в защитную оболочку, так что замедлитель работал при гораздо меньших температурах, чем в американских реакторах. Это позволило отказаться от графита и использовать в качестве замедлителя гидрид циркония. В результате реактор получался значительно компактнее, и легче чем графитовый. Это в совокупности с найденной со- ветскими конструкторами формой стержней (четырехлепестковая в поперечном сечении и витая по длине) позволило значительно снизить потери урана в результате разрушения стержней (полностью исключить разрушение не удалось). В настоящее время только США и Россия имеют значительный опыт разработки и постройки твердофазных ЯРД, и в слу- чае необходимости смогут создать такие двигатели за короткое время и по приемлемой цене. Реакторные комплексы ИГР и ИВГ-1 сейчас принадлежат Национальному ядерному центру Республики Казахстан. Оборудование поддерживается в относительно работоспо- собном состоянии. Возможно что возобновление работ по программам полетов к Луне и Марсу возродит интерес и к твердофазным ЯРД. Кроме того использование ЯРД может существенно расширить границы изучения Солнечной системы, сократив время необходи- мое для достижения дальних планет. В 2010г. президент РФ Медведев распорядился создать космический транспортно- энергетический модуль на основе ЯЭУ с использованием ионных ЭРД. Созданием реактора будет заниматься НИКИЭТ. Центр им.Келдыша будет создавать ЯЭДУ, а РКК «Энергия» - сам транспортно-энергетический модуль. Выходная электрическая мощность газотурбин- ного преобразователя на номинальном режиме составит 100-150квт. в качестве РТ пред- полагается использовать ксенон. удельный импульс ЭРД 9000-50000м/сек. ресурс 1,5-3 года. Масса и габариты установки должны позволять использовать для ее запуска РН «Протон» и «Ангара». Наземные испытания рабочего прототипа начнутся в 2014 г. а к 2017 г. ядерный двигатель будет готов к запуску в космос (НАСА также начинало анало- гичную программу в 2003г. но затем финансирование было прекращено). На разработку всего проекта потребуется 17 млрд.руб. Поживем увидим.



Рекомендуем статьи по теме
Полы и потолок
Рецепты из курицы, утки, индюшки
Рецепты из курицы, утки, индюшки
Куриное мясо одно из самых вкусных и быстрых в приготовлении. Помимо прочего оно еще и легко усваивается организмом, широко доступно и...
Инструменты и оборудование
Военный коммунизм: причины и последствия
Военный коммунизм: причины и последствия
Военный коммунизм (политика военного коммунизма) – название внутренней политики Советской России, проводимой во время Гражданской войны...