Мечта Сергея Королева, Вернера фон Брауна и их предшественников - получить мощную энергетику для космических полетов и длительной работы на орбите - в скором времени может осуществиться.
По словам главы Роскосмоса Владимира Поповкина, опытный образец ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса, предназначенной для межпланетных миссий, появится в России в 2017 году. А уже через год в Сосновом Бору под Петербургом могут начаться стендовые испытания ядерного реактора для этих целей.
Напомним короткую предысторию вопроса (о более длинной - речь в конце). Два года назад, в июне 2010-го, вышло распоряжение президента России Дмитрия Медведева в поддержку проекта космического транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) на основе ядерной энергетической установки мегаваттного класса.
Для реализации задуманного в период с 2010 по 2018 год было обещано 17 млрд рублей. Из этих средств 7,245 млрд рублей предназначались госкорпорации "Росатом" на создание самого реактора. Другие 3,955 млрд - ФГУП "Центр Келдыша" на создание ядерной - энергодвигательной установки. Еще 5,8 млрд рублей - для РКК "Энергия", где в те же сроки предстоит сформировать рабочий облик всего транспортно-энергетического модуля.
По заявлениям первых лиц "Росатома" и космической отрасли, проект развивается успешно. А как оценивают текущее положение дел его непосредственные участники? Тем более сейчас, когда только и разговоров - про неудачи и сбои, преследующие Роскосмос?
За ответом на этот вопрос корреспондент "РГ" отправился в "Центр Келдыша" и встретился с генеральным директором академиком РАН Анатолием Коротеевым.
В его лице функции формального и неформального лидера "проекта ТЭМ" органичным образом совпали: академик Коротеев является научным руководителем этого направления, и он же возглавляет межведомственную рабочую группу.
В одной упряжке
Анатолий Сазонович, давайте для начала уточним, кто и за что конкретно отвечает в этом амбициозном проекте?
Анатолий Коротеев: Головная организация, отвечающая за разработку собственно ядерного реактора, - Научно-исследовательский и конструкторский институт энергетических технологий (НИКИЭТ), входящий в систему "Росатома". "Центр Келдыша", которым я руковожу, назначен головным по ядерной энергодвигательной установке. А за транспортный модуль отвечает Ракетно-космическая корпорация "Энергия".
Как я понимаю, это три "коренника". А кого еще привлекли или собираетесь привлечь?
Анатолий Коротеев: В основе - кооперация предприятий "Росатома", которые должны делать реактор, и Роскосмоса, где изготовят турбокомпрессоры, генераторы и сами двигатели. Надо иметь в виду, что мы ведь не в чистом поле начали этот проект. В нем использован задел, созданный в предыдущие годы.
Например, по реактору в кооперации в НИКИЭТ состоят и предлагают свои наработки Подольский научно-исследовательский технологический институт, Курчатовский центр, Обнинский физико-энергетический институт. По замкнутому контуру многое сделали "Центр Келдыша", КБ химического машиностроения и воронежское КБ химической автоматики. По генератору подключаем Институт электромеханики.
Вы возглавляете межведомственную рабочую группу. Как часто и для каких целей она собирается?
Анатолий Коротеев: Собираемся по мере необходимости, один-два раза в месяц, бывает и чаще. Возникающие друг к другу вопросы стараемся не накапливать.
В июле на рабочей группе обсуждали плюсы и минусы различных вариантов конструкции холодильников-излучателей для отвода тепла от реакторной установки в условиях невесомости и безвоздушного пространства. В августе совещание состоялось в Сосновом Бору под Петербургом, где решено проводить натурные испытания такого реактора.
По замкнутой схеме
Не секрет, что работы по созданию ядерных ракетных двигателей были начаты в США и в СССР еще в 60-х годах прошлого века. Как далеко они продвинулись? И с какими проблемами пришлось столкнуться на этом пути?
Анатолий Коротеев: Действительно, работы по использованию ядерной энергии в космосе были начаты и активно велись у нас и в США в 1960-70-е годы.
Первоначально была поставлена задача создать ракетные двигатели, которые вместо химической энергии сгорания горючего и окислителя использовали бы нагрев водорода до температуры около 3000 градусов. Но оказалось, что такой прямой путь все-таки неэффективен. Мы на короткое время получаем большие тяги, но при этом выбрасываем струю, которая в случае нештатной работы реактора может оказаться радиоактивно зараженной.
Определенный опыт был накоплен, но ни нам, ни американцам не удалось тогда создать надежных двигателей. Они работали, но мало, потому что нагреть водород до 3000 градусов в ядерном реакторе - серьезная задача. А кроме того, возникали проблемы экологического свойства во время наземных испытаний таких двигателей, поскольку радиоактивные струи выбрасывались в атмосферу. Уже не секрет, что подобные работы проводились на специально подготовленном для ядерных испытаний Семипалатинском полигоне, который остался в Казахстане.
То есть критичными оказались два параметра - запредельная температура и выбросы радиации?
Анатолий Коротеев: В общем, да. В силу этих и некоторых других причин работы у нас и в США были прекращены или приостановлены - оценивать можно по-разному. И возобновить их таким, я бы сказал, лобовым образом, чтобы сделать ядерный двигатель со всеми уже названными недостатками, нам показалось неразумным. Мы предложили совершенно иной подход. От старого он отличается тем же, чем отличается гибридный автомобиль от обычного. В обычном авто двигатель крутит колеса, а в гибридных - от двигателя вырабатывается электроэнергия, и уже это электричество крутит колеса. То есть создается некая промежуточная электростанция.
Вот и мы предложили схему, в которой космический реактор не нагревает струю, выбрасываемую из него, а вырабатывает электричество. Горячий газ от реактора крутит турбину, турбина крутит электрогенератор и компрессор, который обеспечивает циркуляцию рабочего тела по замкнутому контуру. Генератор же вырабатывает электричество для плазменного двигателя с удельной тягой в 20 раз выше, чем у химических аналогов.
Мудреная схема. По существу, это мини-АЭС в космосе. И в чем ее преимущества перед прямоточным ядерным двигателем?
Анатолий Коротеев: Главное - выходящая из нового двигателя струя не будет радиоактивной, поскольку через реактор проходит совершенно другое рабочее тело, которое содержится в замкнутом контуре.
Кроме того, нам не надо при этой схеме нагревать до запредельных значений водород: в реакторе циркулирует инертное рабочее тело, которое нагревается до 1500 градусов. Мы серьезно упрощаем себе задачу. И в итоге поднимем удельную тягу не в два раза, а в 20 раз по сравнению с химическими двигателями.
Немаловажно и другое: отпадает потребность в сложных натурных испытаниях, для которых нужна инфраструктура бывшего Семипалатинского полигона, в частности, та стендовая база, что осталась в городе Курчатове.
В нашем случае все необходимые испытания можно провести на территории России, не втягиваясь в длинные международные переговоры об использовании ядерной энергии за пределами своего государства.
За место на орбите
Чтобы проект осуществился в заявленный срок, требуются ли сейчас какие-то дополнительные меры организационного или финансового характера со стороны Роскосмоса и правительства РФ?
Анатолий Коротеев: На весь проект по 2018 год включительно обещано 17 млрд рублей. Декларированная сумма меньше чем хотелось бы, но, думаю, на ближайшие годы этого достаточно.
Ведутся ли сейчас подобные работы в других странах?
Анатолий Коротеев: У меня была встреча с заместителем руководителя НАСА, мы обсуждали вопросы, связанные с возвращением к работам по ядерной энергии в космосе, и он заявил, что американцы проявляют к этому большой интерес.
Вполне возможно, что и Китай может ответить активными действиями со своей стороны, поэтому работать надо быстро. И не только ради того, чтобы опередить кого-то на полшага.
Работать надо быстро в первую очередь для того, чтобы в формирующейся международной кооперации, а де-факто она формируется, мы выглядели достойно.
Я не исключаю, что уже в ближайшей перспективе может быть инициирована международная программа по ядерной космической энергоустановке
наподобие реализуемой сейчас программы по управляемому термоядерному синтезу.
взгляд со стороны
Комплимент от Кроули и НАСА
Член специальной комиссии НАСА по пилотируемым полетам Эдвард Кроули (Edward Crawley, он же президент - основатель Сколковского института науки и технологий) считает, что главным технологическим вкладом России в международную экспедицию к Марсу могут быть ядерные двигатели, а также методы адаптации и сохранения здоровья космонавтов. По его мнению, ни одна страна не может в одиночку осуществить пилотируемый полет к Марсу. В этом проекте, по словам Кроули, должны соединиться интеллектуальные, технологические и финансовые возможности США, России, стран Евросоюза и, возможно, Китая. В частности, может быть востребован российский опыт в сфере разработки ядерных двигателей. "У России, - дал понять Кроули, - есть очень большой опыт как в разработке ракетных двигателей, так и в ядерных технологиях".
Транспортно-энергетический модуль на основе ЯЭДУ мегаваттного класса может обеспечить увеличенный в 30 раз (по сравнению с достигнутым) уровень энергообеспечения космических аппаратов и десятикратную (на единицу веса) экономию топлива маршевой двигательной установки. А технические решения, заложенные в концепцию ТЭМ, позволяют решать весь спектр космических задач XXI века, включая: доставку грузов на геостационарную орбиту; очистку околоземных орбит от неработающих спутников; защиту Земли от астероидной опасности; создание систем энергоснабжения Земли из космоса; программы исследования Луны; исследовательские миссии к дальним планетам.
Реплика скептика:
Это ж охренеть получается! Две сверхдержавы за полвека противостояния не смогли ядреное двигло к ракете прикрутить, а тут Роскосмос - хрясь, и за три года выдает на-гора супер-пупер дорогу к звездам. Короче, бронирую билет на первый рейс к Альфе Шеридана.
атом на орбите: к истории вопроса
Идея использовать ядерные двигатели на космических аппаратах в принципе не нова и уходит корнями в начало 1960-х. Уже тогда академики Мстислав Келдыш, Сергей Королев и Игорь Курчатов - первые лица советской космической программы и советского Атомного проекта - выдвигали такие задачи. Аналогичные разработки с прицелом на создание новых вооружений велись и в США. Но в космос ракетные ядерные двигатели так и не вышли. Хотя известно, что Советский Союз вывел с 1970 по 1988 год на различные орбиты 32 космических аппарата с термоэлектрической ядерной энергоустановкой (принцип ее работы основан на превращении энергии распада атома в электрическую энергию). Такие установки имели сравнительно небольшую мощность и ограниченный во времени срок службы, после чего сходили с орбиты, создавая головную боль, - куда упадут радиоактивные обломки? - для наземных служб слежения.
В конце 1980-х была заключена договоренность не запускать больше спутники с такими энергоустановками. Но сейчас, надеются в Роскосмосе и "Росатоме", в связи с возможной подготовкой международной экспедиции к Луне и Марсу, прежние запреты могут быть пересмотрены. Президент РКК "Энергия" Виталий Лопота при этом замечает, что эксплуатироваться корабли и транспортные модули с такими реакторами должны лишь на орбитах, "с которых не упадут". Он убежден, что уже в ближайшее десятилетие технически реально создать термоэмиссионные энергоустановки мощностью от 150 киловатт до мегаватта. Этого достаточно для орбитальных спутников. А для межпланетных миссий потребуется реакторная энергоустановка мощностью от одного до 6 мегаватт.
Цель проекта - создание принципиально нового транспортного средства в космосе, обладающего возросшим уровнем энергии и позволяющего обеспечить участие России в крупных международных проектах , осваивать передовые технологии, вырастить новых специалистов и позволить осуществлять длительные задания по исследованию Солнечной системы .
Работы по проекту начались в 2009 году ; разработку с 2011 до 2015 года вела РКК Энергия , планировалось, что он будет готов к 2018 году. . Ожидается появление лётного образца модуля в 2022-2023 году.
Отличительная особенность проекта - раздвижные фермы , источник энергии мощностью до 1 мегаватта (благодаря ЯЭДУ мегаваттного класса, модуль получит тридцатикратное увеличение объёмов располагаемой энергии ), капельный холодильник-излучатель .
На 2018 год приблизительная стоимость проекта оценивается в 8 миллиардов 250 миллионов рублей.
ТЭМ создавался как транспортное средство для решения большого спектра задач, в том числе для доставки грузов на орбиту Луны , геостационарную орбиту (ГСО), траектории к планетам Солнечной системы , в том числе к Марсу , а так же для борьбы с мусором на орбите Земли.
Невозможность осуществлять межорбитальные перелёты, осваивать солнечную систему и защитить Землю от метеоритов и астероидов привела к тому, что в 2009 году «Комиссией по модернизации и технологическому развитию экономики России при президенте России» было принято решении о начале проектных работ над Транспортно-энергетическим модулем на основе ядерной энергодвигательной установки, «Энергии » отвели головную роль в части проектирования модуля, Центр Келдыша возглавил разработку установки, а НИКИЭТ занялся созданием реактора. Инициативой заинтересовались в США, и в 2011 году предложили сотрудничество, однако после 4 заседаний межправительственной комиссии достичь договоренности не удалось. В апреле 2015 пресса растиражировала новость о том, что работы по проекту были свёрнуты, однако информация была опровергнута. К 2018 году были сданы эскизный и технический проекты, двигатели и реактор.
Благодаря многолетним теоретическим и практическим изысканиям, которыми занимались ведущие предприятия России, появилась возможно подготовить теоретическую базу, с результатами которой были ознакомлены члены Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики России при президенте России. Проект создания модуля был частью разработки на базе, при сотрудничестве Роскосмоса и Росатома .
9 февраля состоялась видеоконференция руководителей предприятий-участников проекта, подводились итоги работ по прошлому году и задачи в новом году, особое внимание в ходе встречи было уделено необходимости создания испытательного комплекса Ресурс для отработки реакторной установки.
На совещании 11 октября обсуждались вопросы в области создания радиационно стойкой элементной базы, необходимой для системы управления реактором и транспортно-энергетического модулем в целом. В результате специалисты пришли к выводу, что система управления комплексом может быть создана на российской элементной базе. Был завершен эскизный проект установки.
Сформировать рабочий облик модуля предстояло РКК Энергии, на что с 2010 по 2018 выделялось 5,8 миллиардов рублей. В этом же году был подготовлен технический проект. Завершили первую часть технического проекта установки. В ГНЦ РФ-ФЭИ подготовлены материалы по техническому проекту лётного и наземного вариантов установки по оптимальной системе радиационной защиты. Проведены расчёты для обоснования радиационной безопасности, дополнительной радиационной и биологической защиты.
Эскизное проектирование было завершено в 2013 году. На основе полученных в 2012 году результатов было принято решение перейти к этапу рабочего проектирования и изготовления оборудования и образцов для автономных испытаний. На МАКС -2013 был представлен макет модуля и некоторых важных частей, таких как: ядерная энергодвигательная установка и турбокомпрессор-генератор.
Проводились испытания новых ионных двигателей повышенной мощности ИД-500. Начались испытания ТВЭЛов.
В декабре 2014 были изготовлены трубы из молибденового сплава для рабочих органов системы и защиты реакторной установки.
29 июня на заседании руководителей проекта, были рассмотрены предложения по поэтапности разработки ТЭМ, план-графика поставки комплектов деталей и узлов твэлов РУГК и изготовления комплекта твэлов РУГК, заключенные договора, выполнение работ во втором квартале года. На заседании главных конструкторов проекта от 5 августа разбирались вопросы по организации работ, разработке дполонения к проекту и созданию испытательного комплекса Ресурс. В октябре в ходе заседания совета по проекту, рассматривались вопросы по опытно-конструкторским работам его составных частей, схемы деления ТЭМ, возможные технические средства в составе модуля, обеспечение радиационной безопасности при выводе на орбиту.
Планировалось, что корпорация Энергия создаст модуль к 2018. Однако летом 2016 года стало известно, что Роскосмос заказал Центру имени Келдыша разработку транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса стоимостью в 3,8 миллиарда рублей.
В конце марта на выставке «Госзаказ - ЗА честные закупки 2016» вновь был показан макет ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса.
В конце апреля 2017 года генеральный конструктор Роскосмоса Виктор Хартов подтвердил успешный ход работ по ТЭМ, сообщив некоторые технические подробности. Прежде всего о том, что есть готовый реактор, системы преобразовывают вырабатываемую им тепловую энергию в электрическую, которая поступает на ионные двигатели. Двигатели мощностью 30 кВт сейчас испытываются в камере. По его словам уже есть около 10 ключевых технологий, которые сейчас воплощают в жизнь.
В октябре 2017 года стало известно, что, согласно утверждённой программе развития космодромов, планируется создать технический комплекс подготовки космических аппаратов на основе транспортно-энергетических модулей.
В 2017 году весь бюджет подпрограммы «Приоритетные инновационные проекты ракетно-космической промышленности» размером 2,2 миллиарда рублей был расписан на единственный проект - «Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса» .
В конце февраля 2018 года проводились работы по изготовлению и наземной отработке ЯЭДУ мегаваттного класса и ТЭМ .
В августе на главной странице официального сайта Исследовательского центра имени М. В. Келдыша в тексте программного меморандума к 85-летию предприятия появилось подтверждение продолжения работ по ЯЭДУ .
В октябре Роскосмос дал поручение специалистам «КБ Арсенал » рассмотреть эскизные предложения, провести расчетно экспериментальные исследования и проработать облик буксира не только с ядерной энергодвигательной установкой, но и с электроракетными двигателями .
28 января выездная комиссия определила места на космодроме «Восточном », где будут строиться стартовая площадка для сверхтяжелых ракет и транспортно-энергетический модуль .
Модуль состоит из энергоблока с реакторной установкой, электроракетной двигательной установки (ЭРД) и приборно-агрегатного комплекса .
Состоящих из раздвижных ферм,
Важной проблемой космических перелетов является необходимость постоянно затрачивать топливо для изменения скорости движения. Современные космические аппараты используют два типа двигательных систем. Классические химические реактивные двигатели позволяют быстро ускоряться, но требуют большого количества топлива и этим сильно ограничивают максимальную скорость. Поэтому двигатели включаются только для коррекции курса, а для значительного ускорения аппаратов, отправляющихся к планетам гигантам, приходится использовать уловки вроде гравитационных маневров у планет. Второй вариант - электрореактивные двигатели. Они могут быть ионными либо плазменными, однако суть одна. Такие двигатели имеют очень маленькую тягу и большое энергопотребление, однако используют относительно небольшое количество топлива. Ионные двигатели уже устанавливались на некоторых научно-исследовательских автоматических станциях, таких как Deep Space 1 или Dawn.
Электрореактивные двигатели удобны для дальних экспедиций тем, что позволяют увеличивать скорость в течение всего полета. Однако из-за малой тяги для существенного приращения скорости тяжелого аппарата потребуется установить на него много двигателей, а много двигателей потребуют много, очень много электроэнергии. Так и родилась идея транспортно-энергетического модуля - специального буксира, который мог бы стыковаться с полезным грузом и перемещать его в пространстве. Такой модуль можно использовать для транзита спутников с низкой орбиты на геостационарную, для доставки тяжелых исследовательских станций к планетам-гигантам и, наконец, для отправки пилотируемых экспедиций в дальний космос.
Есть две концепции электрореактивного буксира. НАСА до конца 2014 года планирует определиться с архитектурой Solar Electric Propulsion (SEP). Согласно «дорожной карте» (уточненные планы) американского космического агентства, подобный модуль, использующий гигантские солнечные батареи, будет иметь мощность 50 кВт на первом этапе в начале 2020-х годов. SEP планируется использовать в качестве транспортного модуля автоматической миссии ARM по захвату и доставке на орбиту Луны астероида. Ее запуск запланирован на декабрь 2019 года. К концу 2020 должен появиться гибридный электрореактивно-химический буксир первого этапа. Его электрическая мощность составит 190 кВт (150 кВт на двигательную систему). Химические двигатели будут использоваться для торможения. Наконец, в ходе экспедиции к Марсу в 2030-х годах планируется использовать гибридный буксир второго этапа с мощностью солнечных батарей от 250 до 400 кВт и с уровнем энергоснабжения электрореактивной двигательной установки от 150 до 200 кВт. В качестве топлива ЭРДУ будут использоваться 16 тонн ксенона. Очевидным недостатком модуля на солнечных батареях является невозможность использовать его у планет-гигантов, поскольку уже на орбите Юпитера энергия солнечного излучения падает почти в 30 раз. По всей видимости, на SEP будут установлены рекордно мощные ионные двигатели наподобие NEXT. В декабре 2009 года завершились испытанния таких двигателей, в ходе которых они непрерывно работали в течение 5,5 лет.
Описание
В России с 2011 года ведется работа над ядерной электрореактивной двигательной установкой. В качестве источника энергии ЯРДУ будет использован реактор разработки Исследовательского центра им. Келдыша.
По неофициальным свидетельствам, проблемы возникли в процессе разработки «космической» части проекта и были связаны в первую очередь с отсутствием необходимой компонентной базы. Созданием двигательной системы, в которой должны быть использованы ионные двигатели ИД-ВМ с тягой 725 мН и удельным импульсом 7000 с, изначально занималась РКК «Энергия». Она же была головным разработчиком проекта на первом этапе его развития. Позднее, уже в ГКНПЦ им. Хруничева, буксир уже претерпел существенные изменения. Мощность энергоустановки была уменьшена с 1 МВт до 500 кВт (за вычетом питания собственно борта). Сам буксир уменьшился в размерах и по массе. Разработчики отказались от планов вывести его в космос отдельными пуском.
Из Центра им. Хруничева проект передали санкт-петербургскому машиностроительному заводу «Арсенал», который не имеет опыта работы с турбомашинным преобразованием энергии в реакторе. Инженеры «Арсенала» заменили турбину на термоионный преобразователь, в результате чего значительно снизилась выдаваемая полезная электрическая мощность. Фактически, сейчас аппарат не представляет интереса в качестве транспортного буксира. В таком виде он в новую Федеральную космическую программу и не попал. Теперь предполагается отрабатывать ядерный реактор в качестве источника питания для космических аппаратов на высокой орбите Земли.
Сейчас он должен выводиться в космос вместе со спутником. Аппарат будет отвечать за доставку спутника на рабочую орбиту и снабжение его энергией. И даже после такого упрощения в проекте российского транспортно-энергетического модуля осталось множество нерешенных технических проблем. Стоит отметить, что объективным недостатком ядерного буксира является маленький срок эксплуатации. Для российского буксира он, согласно техническому заданию, составляет 10 лет, однако ситуация с ресурсом ЯРДУ .
Замечание
В нынешнем виде российский ТЭМ выродился в одноразовый энергетический космический аппарат прикладного назначения. Использовать его в пилотируемых полетах или для отправки межпланетных станций в многолетние миссии не представляется возможным.
Новости
Макет ядерного буксира был представлен на выставке МАКС-2013 (фото). Планируется, что наземные испытания прототипа реактора начнутся в 2018 году.
В конце июня 2014 года на конференции по случаю 60-летнего юбилея пуска Обнинской АЭС глава Научно-исследовательского и конструкторского института электротехники им. Доллежаля (НИКИЭТ) Юрий Драгунов рассказал, что его предприятие проводит испытания системы управления реактором ядерной энергодвигательной установки. По его словам, работа идет по графику. На данный момент полностью испытан регулирующий орган реактора, продолжаются испытания тепловыделяющих элементов. Ядерная электродвигательная установка должна быть готова в 2018 году.
На круглом столе «Освоение ближайших планет Солнечной системы на примере поверхности Луны» в ИТАР-ТАСС 10 октября 2014 года подтвердилось, что проектная мощность буксира снижена до 550 кВт при кампании 1 год. В первом же образце будет использоваться машинное преобразование энергии, а не термоэмиссионное.
На октябрьской (2014) конференции в НИКИЭТ им. Доллежаля было объявлено, что планируемая маневренность мощности буксира составляет 1% в секунду в диапазоне 10-100%. В 2016 году возможен запуск опытного блока на стенде.
24 апреля 2015 года некоторые информационные агентства, имеющие возможность изучить новый проект Федеральной космической программы, сообщили, что Роскосмос намерен прекратить финансирование разработки ядерной электрореактивной двигательной установки. Эти заявление были опровергнуты представителем Роскосмоса. В действительности финансирование соответствующих опытно-конструкторских работ в ФКП 2016-2025 продолжится, хотя и будет сокращено. До конца 2025 года возможен запуск испытательных образцов ядерной двигательной установки и электрореактивной двигательной системы, но ядерный транспортный буксир, каким он должен был стать по первоначальной задумке, в ближайшей перспективе не появится.
Проекты использования ядерных энергетических установок в космосе неоднократно рассматривались ведущими космическими странами. В России последнее время получил известность проект энергетического модуля для обеспечения энергией задач различного назначения под названием «транспортный энергетический модуль» (ТЭМ)
Реакторная установка с рабочим телом и вспомогательными устройствами
Предполагается, что транспортно-энергетический модуль, это прорывная разработка, которая может существенно продвинуть вперед возможности освоения околоземного пространства и обеспечить полеты к более дальним объектам солнечной системы. Указ о начале разработки Транспортно-энергетического модуля был подписан в 2010 году президентом России Д. Медведевым.
Разработка разделена между структурами Росатома и Роскосмоса. От Росатома участвует ОАО «НИКИЭТ», которое создает реакторную установку. ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» занимается созданием электроракетных двигателей. Головным предприятием в разработке всего остального корабля в настоящее время является КБ «Арсенал». К началу 2013 года завершилось эскизное и началось рабочее проектирование оборудования.
Разработчики начали изготавливать первые узлы для проведения испытаний. В НИИАР на исследовательском реакторе МИР в 2013 году начались испытания теплоносителя для реакторной установки. В июле 2014 года в ОАО «Машиностроительный завод» была завершена сборка первого тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) будущего реактора.
В соответствии с результатами дополнения к эскизному проекту, выпущенному в 2016 году, реализация проекта возможна в 2025 году.
Краткое описание проекта атомного буксира.
Модуль оснащен высокотемпературным газоохлаждаемым реактором тепловой мощностью 4 МВт. Электроэнергия будет генерироваться двухконтурным турбомашинным преобразователем на основе газодинамического цикла Брайтона, электрической мощностью в 1 МВт. Он же будет выполнять функцию компрессора теплоносителя.
Транспортно-энергетический модуль будет оснащаться электроракетными двигателями большой мощности. Двигатели будут размещаться на четырех штангах, по шесть двигателей на каждой. Дополнительно будет установлено восемь двигателей меньшей мощности, для корректировки курса.
Рабочим телом в двигателях будет ксенон, но рассматриваются и альтернативные варианты с использованием лития и натрия.
Расчетное время работы модуля составляет 10 лет. Запускаться он будет с помощью ракет-носителей семейства «Ангара». Предполагается, что модуль будет трансформируемым, то есть при запуске он будет находиться в сложенном виде под головным обтекателем ракеты-носителя, а на орбите раскладываться в рабочее положение.
Сферы применения
Вариант спутника дистанционного зондирования с ЯЭУ.
Варианты применения ТЭМ весьма обширны. Он может использоваться как орбитальный буксир для доставки спутников с низкой орбиты на геостационарную или любую другую. Это позволит уменьшить стоимость запуска спутников связи и других аппаратов, использующих ГСО.
Космические аппараты для дистанционного зондирования Земли и исследования космоса, на базе ядерной энергоустановкой нового поколения типа ЯЭУ-25М (разработчик — ОАО «Красная Звезда»), могли бы работать гораздо более длительное время, чем существующие КА.
Актуально использование таких ТЭМ в интересах решения задач радиоэлектронной борьбы (РЭБ) в космосе и из космоса, требующих высоких уровней мощности передатчиков помех, а следовательно, и значительной бортовой энергетики.
В настоящее время ни у одной страны мира нет гражданских спутников с ядерной энергетической установкой. Практически все космические аппараты, за исключением межпланетных станций, используют солнечные батареи. Однако из-за низкой плотности потока солнечного излучения эти батареи имеют крупные габариты, поскольку они должны запасать энергию в аккумуляторах на время работы в тени. Масса одного такого спутника может составлять около 7,6 тонны, со сроком активного существования не менее семи лет.
Ядерный реактор, установленный на модуле можно использовать и как дополнительный источник энергии. Энергоустановка может передавать до 225 кВт для питания полезной нагрузки. (Подробнее о КЯЭУ можно прочитать, например, .
Наибольшие ожидания связаны, конечно же, с межпланетными путешествиями. Открываются реальные перспективы колонизации Луны. Стоимость отправки грузов на Луну на ядерном буксире, по сравнению с традиционными ракетами, уменьшится в два раза.
Станет возможен пилотируемый полет на Марс и полеты к астероидам. Транспортно-энергетический модуль дает 20-кратное увеличение экономической эффективности и 10-кратное увеличение электрической мощности на космическом корабле.
В ТЭМ будут широко применяться нанокомпозитные материалы, устойчивые к износу и нагрузкам. Вполне возможно, что эти элементы найдут свое применение в земных сферах деятельности. На основе таких энергетических установок возможно создание компактных электростанций для Луны или труднодоступных земных районов.
За последние годы в рамках проекта пройдено два важных этапа: создана уникальная конструкция тепловыделяющего элемента, обеспечивающая работоспособность в условиях высоких температур, больших градиентов температур, высокодозного облучения. Также успешно завершены технологические испытания корпуса реактора будущего космического энергоблока. В рамках этих испытаний корпус подвергали избыточному давлению и проводили 3D-измерения в зонах основного металла, кольцевого сварного соединения и конического перехода.
И вот, в 2018 году в России испытана система охлаждения ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) - одного из ключевых элементов ТЭМ. В частности, были протестированы экспериментальные образцы генератора капель, элементов заборного устройства и модели холодильника-излучателя. Появление эффективной системы охлаждения снимает практически все препятствия для создания ЯЭДУ. Мощность первой установки составит 1 МВт, но в будущем увеличится в десять раз. В рамках этого проекта, специалисты изготовили и испытали экспериментальные образцы генератора капель, элементов заборного устройства (гидросборника) и модели капельного холодильника-излучателя (КХИ).
В акте приёмки, размещённом на сайте госзакупок «Роскосмоса», сообщается: «Были выявлены закономерности функционирования элементов и узлов перспективных систем отвода тепла ЯЭДУ мегаваттного класса в наземных условиях, максимально приближенных к условиям космического пространства».
Зарубежные проекты
За рубежом также ведутся работы по созданию компактного реактора для космических кораблей. В Европейском Союзе они пока находятся в начальной стадии. Страны ЕС только разрабатывают «дорожную карту» подобного проекта. Вполне вероятно работают над этой темой и в Китае.
В 1970-е гг. СССР и США вели параллельную разработку реакторов, и надо сказать СССР выбился в лидеры в этой отрасли. В настоящее время Россия по-прежнему сохраняет свои позиции и компактные энергоустановки, разрабатываемые в РФ, являются самыми передовыми на сегодняшний день.
Проблемы доставки ТЭМ на орбиту
Последние конструкторские проработки, показывают, что габариты и массы ТЭМ, превышают возможности не только существующих средств доставки, но и перспективных разработок, к каковым относится тяжелая ракета носитель «Ангара-5».
Не менее трудная конструкторская задача связана с созданием супернадежного телескопического ферменного механизма для развертывания ТЭМ из транспортного положения в рабочее.
Еще более технически трудной задачей является запуск в эксплуатацию сложнейшей системы блоков, узлов, механизмов и систем различного назначения на орбите в условиях, когда любой отказ может привести к приведению всего ТЭМ в неработоспособное состояние, а в худшем случае, и к катастрофе.
Отчетливо очерчиваются преимущества космического производства при создании аппаратов, предназначенных для работы в этой среде. Сборка такого оборудования в условиях его дальнейшей эксплуатации (невесомость и глубокий вакуум), способна значительно облегчить калибровку. Также благодаря невесомости можно не заботиться о специальных конструкциях, служащих для удержания оборудования в подвешенном состоянии на этапе сборки.
Отсутствие пространственных ограничений и веса дают возможность строить объекты любого размера, а отсутствие атмосферы по многим показателям уменьшает материалоёмкость и износ производственного оборудования, в частности, коррозию, и увеличивает его долговечность.
Обслуживание, ремонт и защита ТЭМ
По всей видимости, вопросы, связанные с эксплуатационным обслуживанием, ремонтом, и защитой от различных угроз для ТЭМ пока не рассматривается совсем, так как все усилия направлены на решение принципиальных проблем с его созданием и запуском на орбиту. Однако эти вопросы неизбежно потребуют своего решения не в такой уж далекой перспективе, особенно если такая конструкция должна обеспечивать интересы военного космоса.
Так, Пентагон впервые более чем за три года начал пересмотр своей космической программы в связи с потенциальной военной угрозой для своих спутников со стороны России и Китая, сообщает американское издание SpaceNews.
Новая стратегия будет разрабатываться под руководством министерства обороны США по нескольким направлениям способам защиты спутников-разведчиков и военных спутников от нападения. По словам правительственных и отраслевых источников, изменения могут также включать разработку более продуманной политики в области наступательной тактики в космосе.
Не приходится сомневаться, что при появлении крупногабаритных конструкций на орбите, неизбежно встанет вопрос о создании средств, обеспечивающих их долговременное обслуживание и защиту от всевозможных угроз.
Следовательно, обеспечение на орбите всех перечисленных выше задач, и в частности ТЭМ, длина которого в собранном состоянии достигает без малого 60 м, потребует создания орбитального обеспечения в виде сервисно-сборочного комплекса, оснащенного оборудованием нового поколения, в том числе, и дистанционно-управляемыми автономными робототехническими системами.
Конечно, 50 с лишним лет кружения вокруг Земли на одной орбите заставили забыть о цветущих на Марсе яблонях. Однако теперь мечта о полётах к Красной планете и далее приобретает реальные черты - по мере того как эти черты проявляются у уникального транспортно-энергетического модуля.
Новый двигатель - новые задачи
Начнём с проблемы, которая стала самым очевидным препятствием для космических полётов. Кратко её можно сформулировать так: ресурс двигателей на жидком или твёрдом топливе (а именно такие до сих пор используются в космических аппаратах) выработан практически полностью, как их ни усовершенствуй - никаких значительных изменений не последует, нынешние результаты - это всё, на что они способны.
Соответственно, для того чтобыосуществитьдерзкие мечты о дальних перелётах, нужны принципиально иные решения. Это понимали ещё отцы нашей космонавтики - идеей создания ядерного двигателя занимались академики Сергей Королёв, Игорь Курчатов и Мстислав Келдыш. В 1970-е СССР запустил три десятка спутников, оснащённых ядерными энергетическими установками малой мощности. Одновременно в Семипалатинске проводились испытания ядерного реактора большой мощности - ИВГ-1.
Специалисты говорят, что именно ядерные двигатели могут дать новый импульс развитию космонавтики. И вот было принято решение о реализации проекта создания транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) на основе ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса.
Ядерный реактор выделяет тепло, генератор преобразует его в электричество. Инертный газ ксенон ионизируется - положительно заряженные ионы ускоряются в электростатическом поле до заданной скорости, создают необходимую тягу. Таков принцип работы нового ТЭМ.
Главным конструктором реакторной установки стал Научно-исследовательский и
конструкторский институт энерготехники (НИКИЭТ) им. Н. А. Доллежаля, входящий в госкорпорацию
"Росатом". Юрий
ДРАГУНОВ,
его
директор,
генеральный
конструктор,
член-
корреспондент
РАН,
заведующий
кафедрой
Э-7 "
Ядерные
реакторы
и
установки"
МГТУ
им.
Баумана,
говорит, что работы, несмотря на поставленные жёсткие сроки,
идут по графику. А это значит, что уже через 4 года такая установка должна быть создана.
Уникальные решения
- Юрий Григорьевич, ядерная энергодвигательная установка - это, очевидно, целый комплекс систем, которые должны работать слаженно...
Да, в состав входят энергоблокстурбомашинным преобразованием энергии на основе газодинамического цикла Брайтона и связка электрореактивных двигателей. Энергоблок представляет собой одноконтурную ядерную энергоустановку на основе высокотемпературного газоохлаждаемого реактора.
- В проекте должно использоваться достаточно много новых решений. Можете рассказать о них?
В проекте заложены принципиально новые параметры, используются принципиально новые решения.
Впервые в мире разработана технология создания монокристаллических длинномерных трубок из высокотемпературных сплавов. Знаете, когда я в первый раз увидел эту трубку во всю длину, испытал такое волнение! Я-то понимаю, чего стоило её изготовление...
Создана уникальная конструкция тепловыделяющего элемента, обеспечивающая работоспособность в условиях высоких температур, больших градиентов температур, высокодозного облучения. Конструкция настолько продумана, в ней так хорошо решены, к примеру, вопросы отвода продуктов деления, что есть уверенность в работоспособности изделия. Первые испытания, которые закончились ещё в 2012 г., подтвердили это.
Ну и, конечно, приходится много заниматься восстановлением технологий производства уникальных материалов для высокотемпературной энергетики. По всем нашим компонентам и комплектующим задачу ставим так: должны быть ТУ на их промышленную поставку. Для опытных образцов можно, конечно, обойтись и без них, однако мы думаем о перспективе.
Безопасность
- А в других странах подобные разработки ведутся?
В Европе начинают делать первые шаги в этом направлении: формируют "дорожную" карту, сообщество, определяют цели и задачи. Мы их значительно опережаем.
В США, я уверен, это направление развивают, потому что нет другойвозможности осваивать космическое пространство. Мы знаем, что там начинали такую работу. Правда, параметры у них были пониже наших. Но сейчас достаточной информации нет.
Юрий Григорьевич, у людей после крупных аварий на АЭС сложилось настороженное отношение ко всему, что связано с атомом. Насколько безопасным будет создаваемый модуль?
Хороший вопрос и, наверное, самый важный. Мы имитируем разные ситуации - с транспортированием нашей реакторной установки, различные аварийные ситуации, включая аварию на старте и падение с различных высот. Мало того что мы моделируем их математически - вместе с Саровским ядерным центром запланировано провести испытание на разгонном треке. Это разгон с большой скоростью, удар о бетонную стену, с тем чтобы сымитировать то, что наш реактор может испытать в процессе нештатных ситуаций.
Я считаю, что главное внимание должно быть обращено не на работу в номинальном режиме, а на работу именно в нештатных ситуациях. Давайте порассуждаем. Все наши проекты основываются на номинальном состоянии плюс запасы (100% мощности или 105%). А посмотрите, когда происходили серьёзные аварии. Три-Майл-Айленд - это практически был период остановки. Чернобыль - на низком уровне мощности. Фукусима - реакторы были заглушены. Поэтому основное внимание нужно уделять работе не на номинале, а в переходных и стояночных режимах, а также тех, которые связаны с нештатной ситуацией на ракете-носителе. Мы это прекрасно понимаем, и ведущие институты отрасли подключены к решению задачи безопасности транспортно-энергетического модуля.
Огонь и звёзды
- Над проектом работают конкретные люди. Кто они? Говорят, в науке катастрофически не хватает молодёжи...
Это не про нас. У нас много молодых. Вообще везде должно быть удачное сочетание людей, которые являются носителями критических знаний, опыта, и молодёжи. В этом плане у нас коллектив очень интересный. Большая часть окончила нашу кафедру - Э7 МГТУ им. Баумана.
За последние годы мы перестроили всю программу обучения, сориентировав её под наши реальные задачи. Оборудовали современный компьютерный класс, потому что на устаревшей технике невозможно выполнять современные работы. На кафедре преподают наши же специалисты. Сегодня студенты осваивают все ключевые компьютерные программы для расчётов, трёхмерное проектирование - и, когда после окончания учёбы приходят к нам, через полгода они уже полноценные специалисты. Такая вот обратная связь получается.
Идёт мощное развитие атомной отрасли, работа в ней стала престижной. И молодёжь с удовольствием идёт сюда.
Как этот большой разновозрастный коллектив относится к конечной цели проекта? Люди верят в то, что можно будет долететь до Марса?
Мы в институте уже записываемся на первое путешествие.
Хотите, и вас запишем?.. Хотя успех этого проекта открывает возможности не только для космических путешествий. Атомная энергетика в космосе позволяет решить много проблем. В том числе и выведение спутников, которые уже стали космическим мусором, и устранение астероидной и кометной опасности - такие установки позволят увести астероид на безопасную орбиту, пропустив его мимо Земли.
- Юрий Григорьевич, а вы часто смотрите в звёздное небо?
Люблю смотреть. Люблю две вещи: смотреть на костёр и в звёздное небо. И то и другое очень сильно впечатляет, завораживает, наводит на размышления...
Марина НАБАТНИКОВА
