У пошуках ядерного буксира: найближче майбутнє ракетних двигунів

Ще основоположники космонавтики розуміли, що ракетні двигуни на хімічному паливі мають межу і не зможуть забезпечити швидкі перельоти між планетами Сонячної системи. Тому, коли були відкриті реакції радіоактивного розпаду, ідея використовувати атомну енергію для розгону космічних апаратів виникла майже відразу. Однак ядерні кораблі не з'явилися досі, а перший політ призначено лише на 2030 рік.

Уранова машина

У 1905 році Ейнштейн вивів знамениту формулу еквівалентності маси та енергії. Саме на неї спирався Костянтин Ціолковський, коли в 1911-1912 роках у «Дослідженні світових просторів реактивними приладами» вказав, що для виходу космічного корабля за межі Сонячної системи буде потрібно всього лише «тріска радості». Калузький винахідник описав систему, яку пізніше назвуть «атомною псевдоракетою»: вона розганялася, викидаючи продукти ядерного розпаду. У той час ще не розуміли, що побудувати «псевдоракету» малореально, оскільки такі частинки створюють температури в мільйони градусів і стінка будь-якої камери згоряння просто розплавиться.

Наступний крок зробив італійський аеродинамік Гаетано Крокко. У 1923 році він виступив з доповіддю «Зауваження про техніку повітроплавання», заявивши: такий «прямий» спосіб розгону досягнемо тільки при використанні найпотужніших електромагнітних полів, які могли б замінити стінки камери згоряння, що технічно неймовірно складно. Куди розумніше застосувати «непрямий» спосіб - перетворення атомної енергії на теплову нагрівом інертного робочого тіла, яке прямує в реактивне сопло.

Перші натяки на перехід від теорії до практики з'явилися в роки Другої світової війни, коли ракетний конструктор Вернер фон Браун дізнався про «уранову машину», яку розробляв Гейзенберг. Ядерний пристрій створювався для підводних човнів, але

його в принципі можна було використовувати і як реактор, що розщеплює воду на водень і кисень для подачі в камеру згоряння. У 1944 році фон Браун провів кілька консультацій з Гейзенбергом, проте стало ясно: створення компактного реактора - занадто далека перспектива.

Після війни німецькі ракетники були перевезені в США, і плідна ідея знову стала затребуваною. Фон Браун активно популяризував свій Marsprojekt, який передбачав відправку до сусідньої планети шести кораблів з ядерними двигунами. Деякі його розрахунки використовували при конструюванні надважкої ракети Nova для доставки на Місяць кораблів Apollo: серед інших розглядався варіант встановлення на верхній ступінь водневого двигуна з реактором. Однак 1964 року проект Nova заморозили, кораблі запускали за допомогою ракети Saturn V на звичайному паливі.

Концепція міжпланетного корабля з ядерною електродвигуною установкою: проект канадської компанії BWXT Nuclear Energy.

​

На радянській швидкості

У СРСР роботи над двигунами, що використовують атомну енергію, почалися в другій половині 1950-х за участю найбільших учених того часу - Мстислава Келдиша, Ігоря Курчатова, Сергія Корольова, Валентина Глушка. Наприкінці 1959 року був затверджений проект двоступеневої ракети з реактором, що розігріває аміак, який викидався через чотири сопла. За розрахунками, такий носій міг вивести в космос 150 т - цілий міжпланетний корабель! Потім, однак, концепція змінилася: фахівці віддали перевагу твердофазному варіанту, при якому рідкий водень спершу охолоджує корпус реактора і тепловиділяючі збірки зовні, а потім надходить всередину, нагрівається до 3000 К і викидається через сопло.

Розробкою реактора ИР-100 для такої рухової установки (РД-0410) займався НДІ № 1, майбутній Центр ім. Келдиша. Для випробувань на Семипалатинському полігоні побудували дві шахти, і на рубежі 1970-1980 років крани опустили експериментальні установки на глибину. Розпечений водень вогняним струменем виривався назовні, і, хоча гази, що закінчуються, мали слабку радіоактивність, наближатися до шахти заборонялося ще місяць. Експерименти підтвердили працездатність ИР-100: радянський атомний двигун для космосу був створений. На жаль, він так і залишився незатребуваним, оскільки плановані міжпланетні експедиції скасували, а використовувати РД-0410 на навколоземній орбіті виявилося невигідно і небезпечно.

Однак отриманий досвід спонукав інженерів шукати нові шляхи застосування. У 1987 році РКК «Енергія» запропонувала проект важкого міжпланетного корабля (ТМК), оснащеного двома зв'язками електроракетних двигунів, що працюють на ксеноні, з ядерним джерелом енергії. Згідно з розрахунками, пілотована експедиція до Марса і назад на такому кораблі зайняла б 716 діб. Технічно проект був цілком здійсненний: у той час СРСР мав ракету «Енергія», яка могла вивести модулі корабля на орбіту. Але після аварії на Чорнобильській АЕС розвинулася масова радіофобія, і конструктори відмовилися від реакторів, замінивши їх масивними сонячними батареями. Незабаром і проект ТМК пішов у нікуди.

Робочі конячки

Про нього заговорили знову лише в нульові, коли в РКК «Енергія» народилася незвичайна ідея щодо спрощення і здешевлення польотів на геостаціонарні орбіти висотою 35-37 тис. км. Як відомо, саме тут найвигідніше розміщувати телекомунікаційні супутники, тому такі орбіти мають найбільший комерційний потенціал. Буксир міг би піднімати туди нові апарати і зводити вниз старі. Для такої роботи потрібна висока потужність, і в «Енергії» взялися за розробку ядерної енергодвигунової установки (ЯЕДУ) на основі радянського ТМК.

Так з'явився проект транспортної системи з трьох уніфікованих буксирів: тральщика, що постійно перебуває на геостаціонарній висоті і збирає застарілі апарати; транспорту дальньої дії, що переміщується між геостаціонарною та середньою (800 км) орбітами; та транспорту ближньої дії, що виводить супутники на висоту 800 км. Буксири планувалося забезпечити однаковими ЯЕДУ з реакторами потужністю по 150 кВт і термоемісійними перетворювачами тепла в електрику (нагріванням катода, який у процесі випромінює електрони).

Надалі фахівці РКК планували побудувати установки з реакторами потужністю від 0,6 до 2,1 МВт для доставки вантажів на Місяць, Марс і навіть до поясу астероїдів, причому кожен буксир міг би здійснювати до шести рейсів. Задум підтримав уряд, і в 2010 році почалося проектування транспортно-енергетичного модуля (ТЕМ) з ЯЕДУ мегаваттного класу, що пізніше отримав назву «Нуклон». Головним розробником став Дослідницький центр ім. Келдиша.

«Зевс» впрягається в лямку

Конструкторам довелося постаратися, щоб створити потужний і компактний реактор. Революційним для космосу нововведенням стало застосування для перетворення тепла в електрику не термоемісійної системи, а турбіни - як на земних станціях. Інша оригінальна ідея - скидання надлишкового тепла через крапельний холодильник-випромінювач: нагріта речовина пропускається через відкритий космос і знову збирається вже охолодженим. Сама установка виробляє тільки електрику, а її, в свою чергу, використовує іонний двигун ІД-ВМ, де ксенонова плазма прискорюється, створюючи тягу. Ескізне проектування було завершено в 2013 році, хоча настільки нестандартні рішення зажадали додаткових досліджень. Однак зрив заданих термінів викликав невдоволення уряду, і через п'ять років Роскосмос передав проект системи в КБ «Арсенал», який продовжує цю роботу досі. Минулого року стало відомо, що конструкцію космічного буксира, якому присвоїли ім'я «Зевс», знову модифікують, а турбіну знову замінить термоемісійний перетворювач. У 2021-му був названий термін відправки першого виробу на орбіту - за заявою керівництва Роскосмосу, його планується запустити в 2030 році ракетою «Ангара-А5» з космодрому Східний в Амурській області.