«Техника-молодежи» 2006 г №4, с.30-35

Основной целью программы «Prometheus» является разработка компактного ядерного реактора, пригодного для установки на автоматических космических аппаратах. Требуемая мощность реактора сейчас предполагается в 250 кВт, однако в дальнейшем она может измениться. Он станет источником электроэнергии для ионных электроракетных двигателей (ЭРД) следующего поколения, которые также предстоит создать.

ЭРД создают реактивную силу, выбрасывая в космическое пространство поток ионов, разогнанных электромагнитными силами. С 1980-х они используются для корректировки орбит спутников связи, служили маршевыми разгонными двигателями американского экспериментального космического аппарата «Deep Space 1» (1998) и европейского исследовательского зонда SMART-1 (2005)¹. Точные параметры работы нового двигателя, получающего электричество от ядерного реактора, еще не определены.

¹ Это лишь малая часть истории ЭРД. См. так же «ТМ» №2, 2006 г. — Ред.

Подряд на осуществление обоих проектов пока получила только корпорация «Northrop Grumman», причем NASA уже объявила, что до 2007 г. не собирается привлекать к нему новых подрядчиков. В 2005 г. на программу «Prometheus» из федерального бюджета было истрачено $431.7 млн., на 2006 г. выделено $319.6 млн. В течение 2005-2010 гг. NASA планирует израсходовать на программу «Prometheus» свыше $3 млрд. Изготовление космического реактора и ионного двигателя планируется к 2016 г. Предполагаемая общая стоимость всей программы пока не обнародована, однако скорее всего она превысит $10 млрд.

NASA обосновывает разработку космического ядерного реактора нуждой в надежном и мощном источнике энергии для космических аппаратов, уходящих на периферию Солнечной системы. По мере удаления от Солнца интенсивность его излучения слабеет, и возможности солнечных батарей снижаются. Радиоизотопные генераторы, уже много лет применяемые на космических аппаратах, обеспечивают слишком малые мощности, которых хватает только на питание бортовой аппаратуры². Бортовой реактор сможет полностью обеспечивать энергетические потребности корабля на любом удалении от Солнца.

² Но главный их недостаток — наличие крайне опасных радиоактивных изотопов, которые, в отличие от реактора, нельзя выключить... — Ред.

Появление кораблей с ядерными силовыми установками даст возможность значительно сократить продолжительность космических полетов на большие расстояния. Чтобы корабль смог преодолеть земное притяжение и уйти к другим мирам, его скорость должна превысить 11.2 км/с. На практике космические аппараты сначала выводят на околоземную орбиту, а уже с нее отправляют дальше. Термохимический ракетный двигатель способен увеличить орбитальную скорость корабля не больше, чем на 10 км/с. Расчеты показывают, что корабль с ядерным реактором того типа, который создается в рамках программы «Prometheus», сможет при разгоне с орбиты повысить свою скорость более чем на 20 км/с. Это означает в два-три раза меньшую продолжительность перелета.

Летающая модель, испытывавшаяся по программе «Orion»	Один из вариантов компоновки проекта «Helios»

Руководство NASA подчеркивает, что использование кораблей с ядерными реакторами не приведет к возрастанию угрозы радиоактивного заражения поверхности планеты или воздушного бассейна. Запуск реактора будет происходить на высотах не менее 700-800 км. В этом случае даже авария ядерной силовой установки не приведет к проникновению радионуклидов в земную атмосферу.

ПЛОХО ЗАБЫТОЕ СТАРОЕ. В США первым ученым, который всерьез рассуждал об осуществимости этого проекта, был Станислав Улам. Американец польского происхождения, выпускник львовского Политехнического института, Улам был исключительно сильным математиком и физиком-расчетчиком (в частности, вместе с Эдвардом Теллером он разработал теоретические основы конструкции водородной бомбы).

В 1944 г. Улам и его коллега Фредерик де Хоффман впервые провели теоретический анализ возможностей применения ядерных ракетных двигателей для космических полетов. Через 11 лет Улам и Корнелиус Эверетт в секретной докладной записке предложили разгонять космические корабли с помощью маломощных ядерных взрывов. Энергия взрыва должна была тратиться на испарение диска из твердого вещества, расположенного между кормой корабля и ядерным зарядом. Возникающий поток плазмы отражался бы от кормового экрана и толкал корабль вперед.

Идея Улама и Эверетта легла в основу проекта «Orion», над которым в 1958 г. начала работать калифорнийская корпорация «General Atomics». Под эту задачу выделил деньги и Пентагон, впрочем, не слишком большие. До атомных взрывов дело не дошло, испытывались лишь различные модели дисков и экранов. Поначалу участники проекта были исполнены такого оптимизма, что всерьез надеялись запустить атомный корабль к Сатурну не позже 1970 г. Но в начале 1960-х министр обороны США Р. Макнамара пришел к выводу, что в военном плане эта идея бесперспективна. В 1963 г. СССР, США и Великобритания договорились о запрете всех ядерных взрывов, за исключением подземных. В результате, «Orion» вступил в противоречие с международным правом и годом спустя прекратил свое существование. Обошелся он в целом в $11 млн.

Был еще проект «Helios», для реализации которого также предполагалось применять ядерную взрывчатку. Его разработчики предлагали подрывать атомные заряды не вне, а внутри корабля, в заполненной водой сферической камере из термостойкого материала. Образовавшийся при взрыве пар должен был выбрасываться через сопло и разгонять ракету.

Еще один проект космического корабля, использующего энергию ядерных взрывов — «Aldebaran». Рядом — для сравнения -трансатлантический лайнер «United States»

Стенды для испытания двигателей по программе NERVA

Дальше всего в США зашли работы, начатые в рамках проекта «Ядерные двигатели для транспортных ракет» (NERVA — Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). Формально он был одобрен Комиссией по атомной энергии в ноябре 1955 г., хотя всерьез его стали осуществлять только два года спустя. Конечные цели проекта NERVA не раз менялись. В конце концов было решено построить два пилотируемых корабля с ядерными двигателями, которые в начале 1980-х доставили бы 12 американских астронавтов на Марс и возвратили их назад на Землю. Начиная с 1959 г., в рамках этого проекта с разной степенью успеха были опробованы экспериментальные ядерные реакторы «Kivi», «Phoebus», «PEWEE» и NF-1. В 1968 г. состоялись стендовые испытания прототипа будущего ракетного двигателя «ХЕ Prime» мощностью 1100 МВт, и дело уже шло к изготовлению образца для летных испытаний. Однако в 1972 г. программу закрыли, сочтя ее чересчур дорогой и практически ненужной. К этому времени американское руководство перестало считать отправку астронавтов на Марс возможным козырем в космическом соревновании с СССР.

В последней четверти XX в. NASA не занималось разработкой ядерных ракетных двигателей. Министерство обороны США еще некоторое время сохраняло опытно-конструкторскую программу «Космические ядерные энергетические двигатели» (SNAP — Space Nuclear Thermal Propulsion), но в 1992 г. ее финансирование полностью прекратили. В общей сложности на все эти проекты было истрачено около $1.4 млрд.

По материалам Washington ProFile

По результатам эскизного проектирования создание одноступенчатой ядерной баллистической ракеты, способной при стартовом весе 87-100 т доставить 2,7-4 т на дальность 14000 км было признано нецелесообразным («керосиновая» двухступенчатая Р-9, проектирование которой началось тогда же, при стартовой массе 80 т доставляла 1 т на 16000 км). Носители же, при стартовой массе, соответственно, 880 и 2000 т, должны были выводить на околоземную орбиту 40 и 150 т.

Однако, несмотря на немалый объем предварительной работы (только отчет Института атомной энергии, подписанный И.В. Курчатовым, насчитывал более десятка увесистых томов, а темой занимались еще Физико-энергетический институт, НИИ тепловых процессов, несколько материаловедческих организаций — список будет длинным), никакого «железа» еще не было — первые эксперименты на реакторе ИГР-1 начались только в 1961-м. Соответственно, КОГДА появятся реальные двигатели, сказать пока не мог никто, ракеты же нужны были — как всегда — срочно. Тем более, что вскоре стало ясно: 40 т — груз, доступный и химической ракете, а 150 т — и сейчас не всем понятно, для чего нужно...

СХЕМА «В». И программа ЯРД была отнесена к работам на далекую перспективу. В головном «двигательном» НИИТП их разработку возглавил Виталий Михайлович Иевлев (1926-1990), выступивший с идеей двигателя схемы «В» — с ядерным реактором с газофазной активной зоной (темой очень заинтересовался В.П. Глушко)...

Немного теории. Ракетный двигатель характеризуется двумя параметрами: тягой и скоростью истечения рабочего тела. Первый — количественный, и, в принципе, определяется размерами агрегата, а вот второй — качественный. Он пропорционален корню квадратному из температуры рабочего тела в двигателе (и обратно пропорционален молекулярной массе рабочего тела).

Так вот, атомная энергия, конечно, способна нагреть рабочее тело куда сильнее, чем горение. Но... ограничителем становится температура плавления самого ядерного топлива, тепловыделяющих элементов. По условию нерасплавления активной зоны реально достигнутая скорость истечения ЯРД — 9,1 км/с, теоретически — около 10 км/с (для справки: лучший ЖРД дает 4,2 км/с).

Понятно, что — ежели бы активная зона была газообразной, эффективность ЯРД выросла бы еще в 2-3 раза (не забудем, что корпус-то с соплом в любом случае должен остаться твердым). Кроме того, в газофазной активной зоне резко повышается интенсивность нагрева рабочего тела (не по поверхности ТВЭЛов, а по всему объему), что позволяет и тягу увеличить в 2-2,5 раза...

АТОМНЫЕ ТЯЖЕЛОВОЗЫ 1. МЕЖПЛАНЕТНЫЙ КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ «ORION»: 1 — экран; 2 — амортизаторы; 3 — основной запас зарядов; 4 — места для дополнительного запаса зарядов или полезного груза; 5 — отсек; в котором экипаж находится на пассивных участках полета; 6 — аварийная капсула — убежище 2. ПРОЕКТНЫЙ ОБЛИК КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ С ДВИГАТЕЛЕМ NERVA ДЛЯ ПОЛЕТА НА МАРС A) марсианский взлетно-посадочный корабль: 1 — кабина экипажа; 2 — взлетная ступень; 3 — посадочная ступень; 4 — жилые помещения; Б) атомный ракетный блок: 1 — ядерный ракетный двигатель; 2 — бак с рабочим телом; 3 — стыковочный узел; B) межпланетный космический корабль: 1 — атомные ракетные блоки; 2 — обитаемые отсеки; 3 — марсианский взлетно-посадочный корабль; 4 — автоматические зонды 3. АТОМНЫЙ ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКИЙ САМОЛЕТ М-19: длина (без сбрасываемого хвостового отсека) — 69,0 м; размах крыла — 50,0 м; площадь несущей поверхности — 1000 м2; высота — 15,2 м; размеры грузового отсека — 20.0 х 4.0 х 4.0 м; объем — 320 мЗ; стартовая масса — 500.0 т; полезный груз — 40.0 т на орбиту 185 км; запас жидкого водорода — 220.0 т; мощность ядерного реактора в зависимости от режима полета — 2100 — 15600 МВт; турбореактивные атомные двигатели — 10 х 25.0 т; ядерный ракетный двигатель — 1 х 320.0 т; потребная длина ВПП — 4.0 км; экипаж — 3-7 чел. Цифрами обозначены: 1 — кабина экипажа: 2 — двигатели системы ориентации; 3 — манипуляторы; 4 — створки грузового отсека; 5 — полезный груз; 6 — водородные баки; 7 — теплозащитные панели; 8 — запасы топлива двигателей ориентации; 9 — шасси; 10 — баки системы орбитального маневрирования; 11 — сопло ядерного ракетного двигателя; 12 — двигатель орбитального маневрирования: 13 — реактор с защитой; 14 — ядерные турбореактивные двигатели; 15 — элементы конструкции; 16 — жилой отсек. 4. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА КОМБИНИРОВДНОЙ ДВИГАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ М-19: 1 — турбореактивный двигатель; 2 — водородная турбина; 3 — водородный компрессор; 4 — ядерный реактор; 5 — водород из бака; 6 — гиперзвуковое сопло; 7 — форсажная камера; 8 — гиперзвуковой прямоточный двигатель; 9 — турбина; 10 — теплообменник; 11 — компрессор; 12 — воздухозаборник

Однако при этом встает совершенно неразрешимая проблема: как избежать выноса частичек ядерного топлива из двигателя?³

³ Зато при аварийном разрушении газофазный реактор более безопасен, т.к. пары урана — практически, урановая плазма — мгновенно распыляются до очень низкой концентрации, не создавая заражения! — Авт.

Модельные испытания показали, что предложенная Иевлевым схема движения плазмы разной плотности, при которой более плотная — урановая — остается в реакторе, эффективна, но 100% гарантии не дает, а значит, ни в верхней атмосфере, ни на низких орбитах такой двигатель запускать нельзя... А ведь в 1963 г., газофазный двигатель рассматривался как крайне интересная альтернатива для установки на ВТОРУЮ ступень носителя Н1!

Теоретические и модельные исследования по газофазному ЯРД продолжались в Советском Союзе до конца 1980-х — слишком захватывающие перспективы открывало бы его применение в космосе.

ВЗРЫВОЛЕТ. К этому же времени относится еще один советский проект атомного космического корабля, кстати, показывающий, что атомщики одинаковы во всем мире. В 1962 г. А.Д. Сахаров предложил космический корабль ПК-5000, аналогичный «Orion» (5000 т — стартовая масса).

Предполагалось, что с экипажем в 10-20 человек ПК-5000 сможет, стартовав с поверхности Земли, летать по всей Солнечной системе. В систему регенерации и жизнеобеспечения планировали включить биоконтур с хлореллой. Как «Orion» и «Helios», ПК-5000 был «сбит до взлета» Московским договором 1963 г. о запрете ядерных испытаний в атмосфере, под водой и в космосе.

МЕДЛЕННО. НО ВЕРНО. А разработка ЯРД между тем продолжалась, но... Шла она весьма неторопливо, по принципу «поагрегатной отработки». Считалось, что атомные ракеты могут найти применение только в межпланетных программах, а с их реализацией не торопились. Зато провели глубокие исследования процессов в реакторе, отработали конструкцию ТВЭЛов.

Принятая в СССР конструкция двигательного реактора радикально отличается от американской. Заокеанские атомщики использовали гомогенную активную зону — губку из равномерно перемешанных ядерного горючего и замедлителя, сквозь поры которой прогоняется нагреваемое рабочее тело. Это проще конструктивно и технологически, но таким реактором очень трудно управлять и совершенно невозможно отрабатывать по частям. В нашей стране на такую схему посмотрели — и отказались. Все дальнейшие работы велись по гетерогенной схеме активной зоны — с отдельными ТВЭЛами, замедлителем, управляющими элементами.

На Семипалатинском испытательном полигоне — СИПе — в 1959-м начала строиться и в 1961 г. заработала стендовая база НИИТП. В ходе испытаний на газообразном теплоносителе температура активной зоны в реакторе ИВГ-1 была доведена до 3100 К, что позволяло обеспечить

Современная реконструкция космического корабля ПК-5000: 1 — отсек управления; 2 — отсеки экипажа; 3 — заряды для основного двигателя; 4 — топливо вспомогательных ЖРД; 5 — система подачи зарядов; 6 — система демпфирования; 7 — вспомогательные ЖРД, 8 — экран диаметром 15-25 м; 9 — стартовый стол

удельный импульс 9,1 км/с. В конце 1960-х на другой площадке СИПа соорудили комплекс полноразмерной отработки ЯРД «Байкал-1», на котором с 1970 по 1988 гг. проведено около 30 «горячих» пусков реакторов.

К сожалению, режимы были модельные, поскольку на ядерном полигоне так и не смонтировали системы работы с жидким водородом. Эту часть испытаний провели на стендах двигательных НИИ и КБ, роль ТВЭЛов «играли» электрические нагреватели. Поэтому, несмотря на то, что натурных огневых испытаний ЯРД в СССР не было, отечественные специалисты вполне обоснованно заявляют о том, что двигатели Воронежского КБ «Химавтоматика», готовы к полету.

АЛЬТЕРНАТИВА. И эти же работы позволили академику А.П. Александрову сделать весьма обнадеживающее заявление...

17 февраля 1976 г. ЦК КПСС и Совет министров СССР приняли постановление №132-51 «О создании многоразовой космической системы в составе разгонной ступени, орбитального самолета, межорбитального буксира-корабля, комплекса управления системой, стартово-посадочного и ремонтно-восстановительного комплексов и других наземных средств, обеспечивающих выведение на северо-восточные орбиты высотой до 200 км полезных грузов массой до 30 т и возвращения с орбиты грузов массой до 20 т» — короче, о создании «Бурана».

«Буран» вызывает бурные споры о своей концепции, но молчаливо признается, что технические решения выше любой критики. Однако это, к сожалению, не так. Сейчас можно утверждать, что куда более перспективной альтернативой «Бурана», способной перевернуть не только развитие мировой космонавтики, но и историю нашей планеты, был бы атомный воздушно-космический самолет В.М. Мясищева М-19.

После восстановления в 1966 г. самостоятельного (но гораздо менее мощного, чем раньше) КБ, Мясищеву были поручены такие темы, как изучение систем управления пограничным слоем. Однако Владимир Михайлович развил бурную деятельность, предложив семейство самолетов короткого и вертикального взлета, самолет-перехватчик высотных аэростатов, принял участие в конкурсе стратегических бомбардировщиков, включился в работы по государственной программе освоения водородного топлива «Холод»...

Но воздушно-космическим самолетом Мясищев заниматься не торопился, прекрасно зная о его врожденном недостатке — меньшей по сравнению с ракетой-носителем массовой эффективности, требующей революции в материаловедении. Выход конструктор увидел в предложении руководителя группы в ЦНИИ-50 (головной институт космических войск) О.В. Гурко⁴.

⁴ Существует и другая версия зарождения проекта с другими действующими лицами, но... приходится опираться на рассекреченные данные. — Авт.

В завершенном виде концепция М-19 выглядит так. Взлет и первоначальный разгон 500-тонный ВКС совершает как атомный самолет с двигателями замкнутого цикла, причем в качестве теплоносителя, передающего тепло от реактора к турбореактивным двигателям (10 х 25,0 т), служит водород. По мере разгона и набора высоты, водород начинает подаваться в форсажные камеры ТРД, а потом — и в прямоточные двигатели. Наконец, на высоте 50 км, при скорости полета, большей 16 М, включается атомный ракетный двигатель (схемы «А») тягой 320 т, завершающий выход на рабочую круговую 185-км орбиту. Полезный груз предполагался в 40 т!

Кстати, использование водорода (конечно, жидкого) и как рабочего тела ЯРД, и как теполоносителя, решает еще одну проблему: водород в реакторе не активируется, и, соответственно, радиоактивного заражения не создает.

Естественно, те же 40 т М-19 мог и спустить с орбиты, и, опять-таки, в режиме атомного самолета, вернуться на свою базу с любого витка. Мог и выполнить тот пресловутый «нырок» в атмосферу с маневром по курсу и возвращением на орбиту, который так никогда и не совершил «Шаттл», и которого так боялись наши военные.

При некотором уменьшении полезного груза, аппарат без труда достиг бы любой точки околоземного космоса вплоть до окололунной орбиты. И неотъемлемой частью корабля оставалась ядерная энергоустановка, позволяющая решать в космосе такие задачи, которые потенциальным заказчикам и во сне не снились...

Конечно, угроза загрязнения местности при падении аварийного самолета оставалась, и для ее предотвращения корпус реактора с круговой защитой должен был мяться, но не терять герметичности при ударе о землю со скоростью 300 м/с, что значительно превышает скорость падения обломков на землю с любой высоты при любой аварии...

Согласно предложенной Мясищевым программе, при начале работ в середине 1970-х, в начале 1980-х уже можно было построить летающие лаборатории для отработки атомных двигателей и экспериментальные гиперзвуковые аппараты. Это уже через несколько лет дало бы, помимо прочего, бомбардировщик класса Ту-160, но с втрое большей скоростью. Даже в случае неудачи дальнейших — «атомных» — работ, он послужил бы надежной основой для авиакосмической системы, аналогичной «Спирали» («ТМ» №1, 1993), FALCON («ТМ», №10, 2005) или SHAAFT («ТМ», №7, 2000), и не вызывавшей таких сомнений в своей эффективности, как МАКС (там же). И только это было бы уже революцией в космическом транспорте...

Кстати, предложенную мясищевцами аэродинамическую компоновку следует считать если и не идеальной, то близкой к тому: схема имеет дозвуковое аэродинамическое качество >7,0 а гиперзвуковое — 3,0 (для сравнения, у того же «Бурана» эти величины равны, соответственно, >5,0 и 1,5). Впрочем у нее есть «узкое место» — криогенные «сиамские» баки, образованные пересечением нескольких конусов. Владимир Михайлович подстраховался и предложил на всякий случай более простую технологически схему, как раз-таки похожую на будущий «Буран». Практика показала дальновидность такой подстраховки: четверть века спустя именно неудача в изготовлении криогенных «сиамских» баков погубила американский одноступенчатый ВКС Х-33...

А в конце 80-х (то есть тогда же, когда — реально — и «Буран») залетали бы и серийные образцы атомного ВКС.

Именно при обсуждении этой программы в 1974 г. академик А.П. Александров заявил, что серийный образец ядерного двигателя с требуемыми характеристиками можно сделать за 10 лет!

Очевидно, что уже десяток М-19 обеспечил бы весь грузопоток «Земля — орбита» до середины XXI в. Незанятые «Бураном» ресурсы ракетно-космических предприятий были бы обращены на разработку и выпуск блоков орбитальных станций и новых спутников (которые при такой транспортной системе были бы уже совсем другими). Не потребовался бы и Ту-160, а военные возможности Советского Союза с М-19 выглядели бы совершенно иначе... Это был бы настоящий «асимметричный ответ», «обгон навсегда».

И не случилось бы Чернобыльской катастрофы, не было бы последовавшей за ней антиатомной (и антитехнической) истерии. В самом деле, требуемое расширение работ по атомной энергетике, предполагаемое расширение использования жидкого водорода потребовало бы — вопрос существования! — резкого повышения культуры производства ВО ВСЕЙ промышленности страны. А ведь именно ее — культуры производства — отсутствие и стало главной причиной известнейшей ядерной катастрофы. Да и не только ее.

Но «на самом верху» думали о другом. Ведь революционный проект объединял четыре (!) задачи: нужно было создать атомный сверхзвуковой самолет, гиперзвуковой самолет на криогенном топливе, воздушно-космический аппарат и атомный ракетный корабль, причем — слитые в единой конструкции, объединяя достоинства и компенсируя недостатки! А «Буран» предполагал решение только ОДНОЙ из этих ЧЕТЫРЕХ задач...

Постановление от 17.02.76. решало сразу несколько проблем. Помимо создания многоразовой космической системы, обеспечивалась профильная загрузка на ближайшие десятилетия сотен предприятий, от НПО «Энергия» до совершенно «некосмического» сызранского «Тяжмаша» (нашлось дело и КБ Мясищева — в составе НПО «Молния» ему поручили кабинный модуль «Бурана»)... Но результат «симметричного» ответа⁵ оказался никому не нужным, более того — своей бесполезностью поставил под вопрос существование отрасли вообще.

⁵ А то, что «Буран» был прежде всего ответом на «Space Shuttle», не скрывается уже давно, см., например, «ТМ» №2, 1999 г.

ПО-ДРУГОМУ — НЕ ПОЛУЧИТСЯ!
А работы по ЯРД в нашей стране с начала 1980-х начали сворачивать (тем более ускорился этот процесс после Чернобыля). Наконец, в 1990-м они были просто прекращены, причем повод нашелся совершенно казуистический: запретом назвали принятые годом ранее МАГАТЭ новые нормы радиационной безопасности космической техники!

Впрочем, строгость российских законов компенсируется необязательностью их выполнения... «Ядерные» и «двигательные» КБ во всеобщем развале постарались сохранить наработки и стендовую базу. На выставке «Авиадвигатель-96» воронежское КБХА показало ядерный ракетный двигатель РД-0410.

Сегодня с еще большим основанием, чем на старте космической эры, можно утверждать: без ядерных двигателей, ядерной энергетики ОСВОЕНИЕ космического пространства невозможно!

Сергей АЛЕКСАНДРОВ