Советская космическая программа потрясает и своей смелостью, и обширностью планов. Люди думали на десятилетия вперёд. Ещё не полетел первый Спутник, а наши инженеры уже просчитывали возможности дальних космических путешествий, для которых нужны мощные двигатели на ядерном топливе.
Первые расчёты ядерного ракетного двигателя были сделаны ещё в 1954 году учёными из лаборатории «В», с которой начался нынешний Физико-энергетический институт. Через три года уже была сформулирована концепция ядерного ракетного двигателя (ЯРД) и обоснована программа испытаний.
Американцы не отставали и запустили собственный проект по изготовлению ядерных двигателей для космических кораблей. Больше никто в мире этим не занимался. Советский подход к разработке и проектированию ракетных ядерных двигателей оказался более успешным и привёл к превосходству в этой области. Американцы закрыли свой проект в 1973 году, поскольку, выиграв лунную гонку, не собирались начинать марсианскую, а с задачами орбитальной космонавтики справляются и обычные двигатели.
Зачем нужен ядерный ракетный двигатель?
Важнейшей характеристиками ракетных двигателей является удельный импульс. Удельный импульс показывает количество движения, получаемое в единицу времени при сгорании одной единицы топлива. Чем больше удельный импульс, тем меньше топлива нужно потратить, чтобы получить одинаковое количество движения. Если, например, два разных двигателя разгоняют одну и ту же ракету до некоторой скорости за одинаковое время, но один двигатель расходует меньше топлива, то у него удельный импульс больше.
Удельный импульс зависит от двух параметров:
Температура выходящего из сопла газа. Только здесь зависимость не линейная, а более сложная. Чтобы увеличить удельный импульс реактивного двигателя в 10 раз, нужно увеличить температуру в 100 раз, что невозможно в обычных двигателях. Даже в два раза невозможно увеличить импульс, поскольку это потребует увеличения температуры горения с 3000 градусов до 12000.
Молекулярная масса выходящего из сопла газа. Чем меньше молекулярная масса выходящего из сопла газа, тем больше удельная тяга. Из всех известных веществ самой маленькой молекулярной массой обладает водород. Следовательно, если нужен двигатель с максимально возможным удельным импульсом, нужно использовать в качестве рабочего тела водород и нагревать его до максимально возможной температуры.
Чем нагревать водород?
Самая высокая температура образуется в ядерных реакциях. Идея заключается в том, чтобы использовать энергию цепной реакции для нагрева водорода. Но как это реализовать технически? Нужно решить большое количество задач из области материаловедения. Нам неизвестны материалы, которые бы выдерживали длительное воздействие температур в десятки тысяч градусов. Кроме того, при высоких температурах и давлении водород становится очень агрессивным веществом.
Как это делалось у нас?
Американцы с ходу стали строить готовые агрегаты, что стоило им очень дорого. Советские исследователи не могли позволить себе таких трат, поэтому пошли по другому пути – поэтапной разработки и исследования отдельных частей двигателя. В ходе работы над советским ЯРД было решено много важных конструкторских задач, с которыми не справились американцы.
Размеры реактора
Часть энергии двигателя расходуется на перемещение самого двигателя. Очевидно, что чем легче двигатель, тем лучше. Для космической отрасли это критическая характеристика. Чем меньше вес двигателя, тем больше полезной нагрузки можно поднять в космос. Американцы предложили простую, но тяжёлую конструкцию, компенсируя это наращиванием мощности. Советские инженеры поработали над конструкцией двигателя, сделав её более лёгкой.
Тепловая нагрузка
Главная проблема при работе реактора в условиях высокой температуры – растрескивание ядерного топлива и повреждение замедлителя. Советские конструкторы провели огромный объём расчётных и экспериментальных работ, чтобы найти оптимальную форму топливных стержней, при которой даже их растрескивание не приводило к потере работоспособности реактора.
Конец советского ядерного ракетного двигателя
Первый космический полёт аппарата с ЯРД должен был состояться в 1985 году. Нужно было только разработать разгонный блок на его основе. Но в 1985 грянула Перестройка. Космическая отрасль как важнейший символ тоталитаризма оказалась в опале, а работы по ЯРД были прекращены в 1988 году. А затем стали уходить в мир иной инициаторы и главные разработчики этого проекта, для которых он был смыслом их жизни.
Возрождение
Если бы я писал эту статью лет семь назад, то на этом бы и поставил точку, украдкой утерев слезу. Но мы живём в другое время. Россия возрождается. Возрождаются и проекты, которые, казалось, были похоронены навсегда. В октябре 2009 г. Комиссия при Президенте Российской Федерации по модернизации и технологическому развитию экономики России утвердила проект «Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса».
Целью этого проекта является достижение лидерства нашей страны в сфере создания энергетических комплексов для космических кораблей. Для решения этой задачи разрабатываются качественно новые космические энергоустановки. Основные участники проекта – предприятия «Роскосмоса», ГК «Росатом» и НИЦ «Курчатовский институт».
В отличие от советского проекта, целью здесь является не просто ядерный реактивный двигатель, а комплексная ядерная электро-двигательная установка. Она будет сочетать в себе бортовую электростанцию и источник тепла для ионного двигателя. К настоящему моменту уже разработана и испытана главная деталь ядерного реактора – тепловыделяющие элементы.
Ломать – не строить. После долгого перерыва многое приходилось делать с нуля. И, тем не менее, за шесть лет с начала реализации проекта создана материальная и техническая база для изготовления всех частей реактора и систем управления. Все комплектующие только российского производства. Пройдёт ещё какое-то время, и ядерный космолёт с российским флагом отправится бороздить просторы Вселенной.
Источник: cont.ws