Ссылка на полный текст: Акатов А. А., Коряковский Ю. С. В космос — на атомной тяге. | Электронная библиотека | История Росатома
Навигация:
Актуальность вопроса об атомной тяге для космических аппаратов
Радиоизотопные термоэлектрические генераторы
Реактор для космоса
Ядерный ракетный двигатель РД-0410 он же 11Б91 (КБ «Химавтоматика», Воронеж)
Изыскания в области ядерных ракетных двигателей
Инертный газ в роли теплоносителя
Чтобы выйти за пределы земной атмосферы, современным ракетам-носителям требуется буквально несколько минут. Но чтобы долететь до Марса, необходим уже целый год, а экспедиция на Юпитер, Сатурн и Уран растянется на многие годы. Поэтому одной из важных задач становится повышение скорости космических кораблей, чтобы сделать пилотируемые полеты на дальние планеты реальностью. Вторая задача, не менее важная, — обеспечение космических аппаратов энергией. Решить эти задачи позволяют достижения в области атомной техники. Более того, атом в космосе уже побывал и показал себя с весьма неплохой стороны.
Для космоса потребовались совершенно иные подходы к получению электричества из энергии, содержащейся в атомном ядре. Один из них основан на эффекте Зеебека: так, если взять две п роволоки из различных сплавов и спаять их концы, а затем один из контактов нагреть, оставив второй холодным, то в цепи возникнет электродвижущая сила (термо-эдс), и потечет электрический ток. Это явление применяется для измерения температуры различных объектов, а соответствующие датчики называются термопарами. Эффект Зеебека можно использовать и для получения электричества. Устройство, используемое сданной целью, называют термоэлектрогенератором. А чтобы применить этот эффект и получить термо-эдс в космосе, целесообразно задействовать атомную энергию. В подобном случае одним из вариантов является использование тепла радиоактивного распада, поскольку в процессе распада ядер радиоактивные вещества нагревают себя сами, преобразуя энергию собственной радиации в тепл о. Такой источник тепла обладает изумительным постоянством и не зависит от внешних условий, что идеально подходит для космических аппаратов, отправляющихся на периферию Солнечной системы, — туда, где Солнца не видно или его свет слишком слаб для эффективной работы солнечных батарей.
Так появились знаменитые РИТЭГи (радиоизотопные термоэлектрические генераторы) - стабильные и долговечные источники электроэнергии, способные работать в условиях космического холода и высоких радиационных полей планет-гигантов. Эти выдающиеся свойства РИТЭГов определили их применение в качестве источников энергии для космических исследований. Например, американские космические аппараты «Пионер-10, -11», «Вояджер-1, -2», «Галилео», «Улисс», «Кассини» и «Нью Хорайзонс», а также спускаемые зонды первого и второго «Викингов» были запитаны от радиоизотопных источников. Эти устройства выполнили важнейшие задачи по исследованию космоса, а некоторые из них функционируют до сих пор.
Так, на сегодняшний день «Вояджеры» (запущенные в 1977) достигли пределов Солнечной системы и продолжают надежно работать, а в ближайшее время они выйдут в межзвездное пространство, имея все шансы впервые в истории передать оттуда необходимую научную информацию. Ученые полагают, что их радиоизотопные термоэлектрические генераторы будут функционировать до 2025 года.
Как может быть устроен реактор для космоса? В качестве топлива можно использовать уран, обогащенный по делящемуся изотопу урану-235, а выделяющееся в ходе ядерной реакции тепло отводить теплоносителем на основе жидкого металла (например, смеси натрия и калия). Этот тепло носитель передает тепло термоэлектрогенератору для создания разницы температур контактов и оборудованию космического аппарата для поддержания его при рабочей температуре. Первая ядерная энергетическая установка такого типа - американская SNAP-10 - была запущена 3 апреля 1965 года и проработала в космосе 43 дня. Более успешной оказалась серия из трех десятков советских ядерных энергетических установок «Бук»: первая была запущена на орбиту в составе спутника радиолокационной разведки УС-А 3 октября 1970 года. Это были военные аппараты, которые входили в состав системы космической разведки, и выполняли задачи наблюдения за надводными целями на поверхности мирового океана и передачи координат на носители оружия (атомные подводные лодки) или командные пункты.
В следующем поколении ядерных энергетических установок - «Топаз-1» («Тополь») отечественным конструкторам удалось добиться еще более значительных ю успехов: если ресурс «Бука» составлял 1-3 месяца, то один ив двух запущенных «Топазов-1» проработал на орбите целый год. В «Топазах» для получения электроэнергии был использован несколько иной способ, чем на предшественниках, - термоэмиссионное преобразование, основанное на эффекте Ричардсона (или термоэлектронной эмиссии): нагретые тела испускают электроны, и при повышении температуры до определенного уровня некоторые электроны приобретают скорость, достаточную для того, чтобы оторваться от поверхности материала. А совокупность движущихся в одном направлении электронов - это и есть электрический ток. Термоэмиссионный генератор, питавший электричеством «Топаз», устроен так: два электрода разделены промежутком из вакуума, а снаружи соединены электрической цепью. Один из электродов нагревается теплом, выделяющимся при работе ядерного реактора, при этом из него вылетают электроны, которые устремляются к более холодному электроду: цепь замыкается, по ней течет ток.
... у нас был реально построен и испытан ядерный ракетный двигатель РД-0410 - это был маленький, но, тем не менее, завершенный аппарат; для его полноразмерных испытаний под Семипалатинском создали уникальный стендовый комплекс «Байкал-1». К сожалению, в космос РД-0410так и не полетел из-за смены государственных приоритетов.
Причина, по которой снова активизируются работы в области ядерных ракетных двигателей, довольно проста: двигательные системы на основе химического топлива достигли потолка своих возможностей, их дальнейшее совершенствование позволит лишь незначительно увеличить характеристики. В то же время ядерные двигатели дадут возможность повысить тягу в разы. Как это достигается? В современных двигателях реактивную тягу формируют вырывающиеся из сопла газы - продукты сгорания топлива. Чем выше скорость, с которой газ вырывается из сопла,тем выше скорость ракеты. Сегодня самый эффективный двигатель на химическом топливе - водородно-кислородный - выбрасывает пары воды.
Опуская теоретические выкладки, отметим лишь, что чем меньше масса молекул, выбрасываемых из сопла, тем больше тяга, а значит, и скорость. Масса молекулы воды - 18. А масса молекулы водорода в девять раз меньше. Поэтому наиболее выгодно создать поток, состоящий из горячего водорода. Подобное можно осуществить только в ядерном двигателе, в реакторе которого водород нагревается до высоких температур и выбрасывается из сопла, создавая тягу.
Одна из проблем в том, что водород нужно разогреть до очень высокой температуры - порядка 3000 °С. Урановые стержни при такой температуре растрескиваются и мельчайшие частицы урана уносятся с потоком водорода. В связи с этим двигатель не может работать долго, кроме того, выхлоп обладает значительной радиоактивностью. Поэтому на Земле подобный двигатель запускать нельзя, однако его можно вывести на орбиту обычной ракетой, и запустить в космосе, где выбрасываемые радиоактивные вещества не нанесут вреда атмосфере. К тому же, будет решена проблема с разрушением урановых стержней, ведь двигатель придется включать всего дважды и ненадолго - при разгоне и при торможении у пункта назначения. Установка (США) в сборке с баками для жидкого водорода
Наряду с реальными существуют гораздо более фантастические идеи - например, газофазный и импульсный ядерные ракетные двигатели, разработ- кой которых в разное время занимались и мы, и амери- канцы. В газофазном двигателе уран находится в газообразном состоянии при температуре 9000 °С, и заключен в магнитном поле. Это позволяет избежать контакта урана с водородом, благодаря чему водород разогрева- ется до очень высоких температур, что позволяет еще больше увеличить скорость.
Еще один проект-ракета с импульсным двигателем, которую ещё называют «ядерный взрыволет». В нижней части корабля расположен толкатель - мощный металлический диск с теплозащитным покрытием. Под толкателем периодически взрываются ядерные заряды, которые и придают кораблю импульс. Если реализовать эту технологию, можно будет достичь еще более высоких скоростей, чем в случае с газофазным двигателем. Возможность управляемого полета с импульсными двигателями была продемонстрирована, причем с помощью обычной взрывчатки. Однако возникли проблемы с материалами: в частности, из чего изготовить толкатель, чтобы он не испарился? Да и производить ядерные взрывы в атмосфере нельзя. Поэтому сегодня импульсные двигатели пока не рассматриваются даже в качестве возможного направления - их время еще не пришло, и этой идее придется дожидаться следующего этапа, когда развитие техники достигнет качественно нового уровня, соответствующего сложности подобного проекта.
Если же говорить об экологичных двигателях с ядерным реактором, то варианты подобных аппаратов тоже существуют - одним ив них будет модуль, в котором теплоносителем является благородный газ (например, ксенон). Газ циркулирует через активную зону реактора по замкнутому контуру и нагревает водород через стенку - таким образом, радиоактивное загрязнение отсутствует. В другом варианте задействованы ионные двигатели, в которых тяга создается за счет выброса из сопла ионизированного газа, ускоренного электромагнитным полем. Маломощные ионные двигатели с электропитанием от солнечных батарей уже нашли свое применение в космической технике (аппарат «Дип Спейс 1», лунный зонд «Смарт 1» и другие), то есть данная технология вполне реальна. Ее недостаток - невозможность старта с поверхности планеты, зато при длительной работе такие двигатели позволяют достичь высоких скоростей, не «раздувая» габариты аппарата.