Ядерные ракетные двигатели

Леонид КВАСНИКОВ (доктор технических наук, профессор, МАИ)
Анатолий КОСТЫЛЕВ (доктор технических наук, НЦ им. М. В. Келдыша)
По материалам сайта www.transport.ru

Ученые и инженеры, работающие в области космонавтики, всегда стремились создавать наиболее эффективные ракетные двигатели. Понятно, что они не могли не попытаться использовать ядерную энергию для нагрева рабочего тела. Ведь это сулило большие перспективы в освоении ближнего и дальнего космоса, позволяло сделать доступным полет космонавтов на Марс. Однако всевозможных трудностей, в том числе финансовых, возникло очень много, и сегодня ни Россия, ни США не имеют вполне пригодных для установки на космический аппарат ядерных ракетных двигателей (ЯРД). Может быть, главная причина в том, что реально ЯРД не планировалось применять для военной ракетно-космической техники. Тем не менее СССР и США примерно в одно время создали и испытывали на стендах прототипы таких двигателей. И если об этих работах в Америке можно было прочитать в специальной литературе, то сведения о советской программе в открытых источниках до последних лет отсутствовали.

Что же представляет собой ядерный ракетный двигатель? Многие его системы устроены так же, как у жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). Только температура рабочего тела, истекающего из сопла и создающего тягу, повышается не за счет реакции окисления (горения) двух компонентов, а за счет тепловой энергии, выделяющейся в процессе деления ядер радиоактивного вещества. Вместо камеры сгорания, как у ЖРД, в ядерном двигателе размещен реактор, способный нагреть газ более чем до 3000 К. Эта температура ограничивается стойкостью применяемых материалов.

Но почему ЯРД в несколько раз эффективнее ЖРД? Ведь он гораздо сложнее, имеет во много раз большую массу, нуждается в специальных системах защиты и безопасности, громоздок. Дело в том, что в реакторе можно разогревать любой газ, а энергетическая эффективность ракетного двигателя тем выше, чем это рабочее тело имеет меньшую молекулярную массу. Вот и получается, что если в ЯРД применить водород, то скорость истечения его из сопла будет в 3 раза выше, чем в лучшем - кислородно-водородном ЖРД. Все потому, что молекулярная масса в первом случае - 2 г/моль, а во втором - 18. Значит, для космического полета потребуется существенно меньше рабочего тела.

Делящееся вещество в активной зоне реактора может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. До полноразмерных натурных испытаний дошли ЯРД только первого типа. Их реакторы состоят из тепловыделяющих сборок, содержащих соединение урана-235 с замедлителем нейтронов (для уменьшения массы урана с десятков до нескольких килограммов) и окруженных отражателем нейтронов, а также из устройств, обеспечивающих запуск, регулирование и останов.

Разработку и испытания ЯРД вели только СССР и США. С 1955 года в Америке приступили к выполнению программы по созданию ядерных реакторов типа NERVA, предназначенных для космических ракетных двигателей. Отработка велась сразу на опытных полноразмерных реакторах без сопла - Kiwi. При этом тепловыделяющие элементы часто разрушались из-за трещин в защитном покрытии. В конце 1963 года была поставлена задача осуществить общую разработку технологии ЯРД для обеспечения в 2014-2016 гг. пилотируемого полета к Марсу.

До 1972 года прошли испытания 20 ядерных реакторов, в том числе система NRX-A6 в течение одного часа работы реактора на полной мощности. 28 запусков стендовых ЯРДов имели суммарную продолжительность около 4 ч. Испытания проходили на полигоне в штате Невада.

В одном из вариантов ЯРД NERVA предварительно подогретый в рубашке охлаждения сопла и корпуса реактора водород поступает в тепловыделяющие сборки, где за счет специально развитой поверхности теплообмена обеспечивается его нагрев до 2360 К. Часть горячих газов отбирается для привода турбины турбонасосного агрегата, что обеспечивает расход водорода до 40,7 кг/с и тягу 33,6 т при тепловой мощности реактора 1510 МВт и его массе 3400 кг.

В СССР проектирование первых ЯРД велось во второй половине 50-х годов. Этими работами занимались КБ главных конструкторов А.М. Люльки, С.А. Лавочкина, В.М. Мясищева, М.М. Бондарюка, В.П. Глушко совместно с рядом научно-исследовательских институтов - НИИТП, ЦИАМ, ИАЭ, ВНИИНМ.

Уже летом 1959 года сотрудники НИИТП В.М. Иевлев и Ю.А. Трескин доложили о постановке эксперимента на реакторе ИГР, первый запуск которого состоялся в 1961-м. Конструкции совершенствовались, и в 1975-1989 гг. на реакторе ИВГ-1 была выполнена отработка тепловыделяющих сборок на ресурс в форсированном режиме при температурах до 3100 К и тепловых потоках 20 кВт/см³ (на порядок выше, чем в США). А на стендовом реакторе ЯРД минимальной размерности ИРГИТ проводились запуски при мощности до 60 МВт и температуре 2650 К. В отличие от американских российские ученые использовали более экономичные и эффективные испытания отдельных тепловыделяющих элементов в исследовательских реакторах.

Все это в 70-80-е годы позволило в КБ "Салют", КБ химавтоматики, ИАЭ, НИКИЭТ и НПО "Луч" (ПНИТИ) разрабатывать различные проекты космических ЯРД и ядерных энергодвигательных установок. В КБ химавтоматики при научном руководстве НИИТП (за элементы реактора отвечали ФЭИ, ИАЭ, НИКИЭТ, НИИТВЭЛ, НПО "Луч", МАИ) создавались ЯРД РД 0411 и ядерный двигатель минимальной размерности РД 0410 тягой 40 и 3,6 т соответственно. В результате были изготовлены реактор, "холодный" двигатель и стендовый прототип для проведения испытаний на газообразном водороде. В отличие от американского, с удельным импульсом не больше 8250 м/с, советский ЯРД за счет более жаростойких и совершенных по конструкции тепловыделяющих элементов и высокой температуры в активной зоне имел этот показатель равным 9100 м/с.

Стендовая база для испытаний ЯРД объединенной экспедиции НПО "Луч" размещалась в 50 км юго-западнее г. Семипалатинск-21. Она начала работать в 1962-м. В 1971-1978 гг. на полигоне испытывались натурные тепловыделяющие элементы прототипов ЯРД. При этом отработанный газ поступал в систему закрытого выброса. Стендовый комплекс для полноразмерных испытаний ядерных двигателей "Байкал-1" находится в 65 км к югу от г. Семипалатинск-21. С 1970 по 1988 год проведено около 30 "горячих" пусков реакторов. При этом мощность не превышала 230 МВт при расходе водорода до 16,5 кг/с и его температуре на выходе из реактора 3100 К. Все запуски прошли успешно и безаварийно.

В настоящее время подобные работы на полигоне прекращены, хотя оборудование поддерживается в работоспособном состоянии. Стендовая база НПО "Луч" - единственный в мире экспериментальный комплекс, где можно без значительных финансовых и временных затрат проводить испытания элементов реакторов ЯРД. Не исключено, что возобновление в США работ по ЯРД для полетов к Луне и Марсу в рамках программы "Космическая исследовательская инициатива" с планируемым участием в них специалистов России и Казахстана приведет к возобновлению деятельности семипалатинской базы и осуществлению "марсианской" экспедиции в 20-е годы следующего столетия.

Дальнейшим развитием ЯРД является концепция ядерной двигательно-энергетической установки на основе высокотемпературного газофазного реактора - ГФЯР. В России и США эти работы находятся на стадии научных исследований и осуществления базового реакторного эксперимента по комплексному исследованию рабочих процессов. Как упоминалось, разогрев рабочего тела в ЯРД с твердофазным реактором ограничен температурой тепловыделяющих элементов и стойкостью их материала. А чем выше температура, тем больше удельный импульс двигателя. И если использовать газообразное ядерное топливо, то эта проблема снимается. Появляются возможности увеличения удельного испульса до 20-30 км/с при температуре рабочего тела до 12000 К.

В основе одного из проектов такой установки - высокотемпературный ГФЯР со вспомогательными подвижными твердофазными тепловыделяющими сборками, которые обеспечивают критическую массу ядерного горючего. В центральной цилиндрической полости ГФЯР - рабочей камере - за счет магнитного поля соленоида, окружающего реактор, формируется малорасходная, "застойная", зона. Уран, находящийся в ней в газовой фазе, разогревает до температуры выше 9000 К протекающий водород за счет распределенных в газе лучепоглощающих добавок и не смешивается с ним. Истекающая из сопла плазма обладает высокой электропроводностью и обеспечивает получение электрической энергии во встроенном в сопло МГД-генераторе. Эта энергия необходима для питания соленоида, насосов, подающих рабочее тело, и бортовых систем аппарата. Некоторая часть урана постоянно уносится потоком водорода в окружающее пространство, но система подачи ядерного горючего все время компенсирует его убыль.

Энергоснабжение космического аппарата с ГФЯРД на режиме выключенной рабочей камеры осуществляют две газотурбинные энергоустановки общей мощностью 200 кВт с нагревом рабочего тела в твердофазных тепловыделяющих сборках. По расчетам, такой ГФЯРД будет иметь тягу 17,3 т при давлении в рабочей камере 100 кг/см² и скорости истечения водорода 20 км/с. Продолжительность работы на номинальном режиме при пяти включениях - около 3,5 ч. Мощность МГД-генератора должна составлять 25 МВт.

Возможно, разработки ЯРД и ГФЯРД несколько опередили свое время. Однако они вовсе не столь преждевременны, как может показаться. Ведь подготовка пилотируемой "марсианской" экспедиции длится десятилетия, и энергетику для нее нужно готовить заблаговременно. Сейчас существует несколько российских и американских проектов пилотируемых комплексов с ЯРД для экспедиции на Марс. В них предполагается использовать уже испытанные конструкции, которые показали свою работоспособность, так что труды ученых и конструкторов не пропадут даром. Да они и не могут оказаться напрасными, потому что значительно продвинули вперед науку, технику и технологию. За счет применения некоторых "ноу-хау" в России и за рубежом удается получать средства для продолжения исследований.