Зачем нам нужны ядерные ракетные двигатели?

29 сентября 2021 года Президент РФ В. В. Путин на совещании по развитию космической отрасли сказал: «За минувшие годы мы заметно продвинулись в разработке уникальных технологий ядерной космической энергетики. По оценке специалистов, Россия в этой сфере опережает всех наших конкурентов, опережает весь мир, на шесть-семь лет».
Прежде чем выяснить, почему сегодня стала актуальной проблема создания ядерной космической энергетики, вспомним основные достижения в области космонавтики, к которым мы уже привыкли. К ним относятся: спутниковая связь и телевещание; космическая навигация; метеорологический и экологический мониторинг Земли; изучение природных ресурсов; картография; фундаментальные и научно-прикладные исследования. Однако всё перечисленное — не более чем информационное обеспечение населения планеты. А ведь, кроме информации, мы от освоения космоса ждем многого другого, но оно требует присутствия на космических рукотворных объектах большого количества энергии.
По мнению специалистов российского Научно-исследовательского и конструкторского института энергетической техники (НИКИЭТ), возможности наращивания энергетики космического применения на традиционных принципах практически исчерпаны. Конечно, космические корабли трудно представить без солнечных батарей, но если предпринимать полеты к более удаленным от Солнца планетам и за пределы Солнечной системы, то без независимого от энергии Солнца источника не обойтись. Для движения в дальнем космосе нужно гораздо больше энергии, чем дают аккумуляторы и солнечные батареи. Таким образом, требуется мощная космическая энергетика, создаваемая ядерными источниками, без которой в космосе уже трудно обойтись.
Там она может использоваться в основном для двух целей: обеспечения движения космического летательного аппарата (КЛА); обеспечения жизнедеятельности экипажа, поддержания работы бортовой аппаратуры и проведения исследовательских и производственных работ.
Поэтому, продолжая тему космолетов и космопланов, о которых «Вести ДОСААФ» писали в предыдущих номерах, остановимся на проблеме создания ядерных энергосистем для первой вышеназванной цели — обеспечения движения КЛА с помощью ядерных ракетных двигателей (ЯРД).

Упрощенная схема ядерного ракетного двигателя

Для более глубокого изучения любого нового достижения науки и техники необходимо рассмотреть его в историческом аспекте. Известно, что космонавтика произросла из авиации так же, как и авиация выросла из воздухоплавания. Поэтому нельзя не вспомнить, что еще до начала космической эры в нашей стране была начата разработка самолетного ядерного реактивного двигателя.
Перспектива нахождения в воздухе неограниченное время была для Военно-воздушных сил СССР заманчива, и поэтому по аналогии с морскими судами в 1956 году решили установить ядерный реактор на самолет. Из всех примеров атомных авиационных проектов наибольший интерес вызывает ядерный супербомбардировщик Ту-95ЛАЛ («летающая атомная лаборатория»). Уже в 1958 году для него был успешно испытан на земле компактный атомный реактор. В ходе испытаний выяснилось, что при соответствующей защите влияние излучения на экипаж находится в допустимых пределах, а самолетное оборудование функционирует нормально, несмотря на наличие на борту работающего реактора.
В 1961 году Ту-95ЛАЛ успешно выполнил 34 полета. В воздухе к защите экипажа и оборудования от радиоактивного облучения не было претензий. Всё работало штатно. Поэтому Ту-95ЛАЛ был перепроектирован в боевой «атомный» самолет Ту-119 с «атомными» двигателями НК-14А. Однако этому самолету не суждено было быть принятым на вооружение по двум причинам: во-первых, американцы заморозили у себя аналогичный проект и, во-вторых, нахождение атомного реактора в воздухе посчитали тогда неоправданным риском для мирного времени.

Ту-119 с двигателями НК-14А

Почти сразу вслед за самолетным ядерным турбовинтовым реактивным двигателем в 1958 году в СССР приступили к разработке ЯРД для КЛА. Руководили работами по ЯРД академики Мстислав Всеволодович Келдыш, Игорь Васильевич Курчатов и Сергей Павлович Королёв. Как результат, в период с 1960-х по 1980-е годы был разработан и прошел испытания на Семипалатинском полигоне первый отечественный ЯРД, однако ракеты, тяга которых создавалась за счет химического горения топлива, в ХХ веке для освоения ближнего космоса считались наиболее приемлемыми, и работы по ЯРД были фактически свернуты.
Однако в начале XXI века специалисты пришли к выводу, что нынешние химические ракетные виды топлива имеют недостаточный энергетический потенциал для межпланетной космонавтики. Например, отправляться в полуторагодичный полет на Марс, не имея энергетического резерва для маневра на траектории и в случае аварийной ситуации — для возвращения на Землю, слишком рискованно.
Поэтому с 2009 года, когда в планы ракетно-космической отрасли нашей страны было включено освоение Луны и планет Солнечной системы, соответствующие научно-исследовательские организации снова стали заниматься ядерной энергоустановкой. Предполагается, что эта установка, основой которой является ядерный реактор, будет использоваться на космическом буксире для обеспечения работы ракетного двигателя и энергоснабжения всего того, что называется «полезной нагрузкой».
Простейший ЯРД, который мог бы использоваться для КЛА, состоит из нагревательной камеры с ядерным реактором — источником тепловой энергии, системы подачи рабочего тела и сопла.
Принцип действия ЯРД несложный: рабочее тело (водород или другой газ) подается из бака в активную зону реактора, где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу. Заметим, что у авиационного ЯРД рабочим телом является забортный воздух, который после разогрева вращает турбину и создает тягу, вырываясь из сопла, или вращает винты, как это осуществлялось на Ту-95ЛАЛ.
Между тем для космических полетов в настоящее время более перспективным считается ионный или плазменный ЯРД. Если говорить коротко о его устройстве и принципе действия, то это аппарат с двумя электродами — анодом и катодом. Между ними помещается рабочая камера, в которую подается рабочее тело — инертный газ (например, ксенон). Он неопасен и может находиться в жидком или твердом виде. Огромная разность электрических потенциалов между анодом и катодом, созданная ядерной энергоустановкой, ионизирует рабочее тело. Его ионы разгоняются в электрическом поле в нужном направлении, толкая космический корабль в противоположную сторону. Время непрерывной работы такого двигателя составляет более трех лет, а по создаваемой тяге он в 20 раз превосходит химический ракетный двигатель. В струе ионы могут разгоняться до скорости более 200 км/с, что в 50 раз превышает аналогичный показатель у химических двигателей. В результате ЯРД даст возможность долететь до Марса за полтора месяца.
Большой проблемой в ядерных реакторах всегда было их охла­ждение. Космический вакуум совершенно не обладает теплопроводными свойствами, и приходится ставить вокруг реактора теплоотводную «рубашку». По сообщениям СМИ, эту задачу наши конструкторы уже решили.
Весной 2021 года руководитель Роскосмоса Дмитрий Рогозин назвал комплексы с ядерными энергоустановками прорывом в сфере космоса. Он считает, что «без ядерной энергетики в космосе полноценное изучение и освоение дальнего космоса невозможно. Это наш ключ к масштабным научным миссиям к Венере, Марсу, Юпитеру и планетам дальнего космоса. Кроме того, потенциально это может быть даже источником для снабжения энергией перспективных орбитальных систем и комплексов».
В конце июля этого года в подмосковном Жуковском состоялся 15-й Международный авиационно-космический салон. Модель космического буксира «Зевс» была представлена на одном из стендов.
Что касается термоядерного ракетного двигателя, то он тоже сейчас является предметом исследования, но его ощутимые результаты, по мнению специалистов, появятся в отдаленном будущем, хотя от науки можно ожидать в наше время любых сюрпризов.
Сергей Елисеев.