Валерий Агеев
Реализация проекта создания космического буксира «Зевс» позволила бы вывести Россию на ведущие позиции в исследованиях Луны и дальних планет. Иллюстрация Роскосмоса
По утверждению и отечественных, и западных экспертов, ракета с ядерным ракетным двигателем (ЯРД) может добраться до Плутона за два месяца и вернуться обратно через четыре месяца с затратой 75 т топлива; до Альфы Центавра – за 12 лет, а до Эпсилона Эридана – за 24,8 года.
История проекта «трех К»
Академик Сергей Павлович Королев, один из основоположников отечественной космонавтики, мечтал о мощной силовой атомной установке для ракет. В СССР мечты Королева начали осуществляться лишь за два года до запуска первого человека в космос. Именно тогда произошла определяющая во всех отношениях встреча «трех К», трех выдающихся ученых: Игоря Курчатова, «отца» советской атомной бомбы, Мстислава Келдыша, главного теоретика космонавтики, и Сергея Королева, главного конструктора ракет. Именно на этой встрече и было принято решение о создании атомного ракетного двигателя. И он был создан в короткое время.
Это был двигатель РД-0410 (известен также как «Иргит» и «ИР-100») – первый и единственный советский ядерный ракетный двигатель. Разработали его в конструкторском бюро «Химавтоматика» в Воронеже. В ЯРД ядерный реактор должен был нагревать жидкий водород и превращать его в реактивную струю. Сердце двигателя – компактный ядерный реактор на уране-235. Через его активную зону, разогретую до 3000 °C, под давлением прокачивался жидкий водород. Газ мгновенно нагревался и вырывался из сопла, создавая тягу. Всего было проведено более 250 испытаний. В результате был создан работоспособный двигатель, отвечавший всем предъявленным требованиям. Полет к Марсу с этим двигателем сокращался с 1,5 года до нескольких месяцев.
С 1968 по 1988 год была выпущена серия спутников «Космос» с такими реакторами. Ряд из них вышли из строя или упали, а «Космос-954» упал на территории Канады в 1978 году, что вызвало международный скандал. К 1988 году стало окончательно понятно, что РД-0410 непригоден для масштабного практического использования. В том же году США и некоторые другие государства наложили санкции на ряд предприятий, занятых в проекте. Канада, на которую упали обломки «Космоса-954», предложила пересмотреть правила использования ядерной энергии в космосе. Поэтому неудивительно, что этот проект закрыли. Но тем не менее разработка проектов ядерных космических установок продолжалась.
Ядерная идея
В 1960-х годах американские ученые работали над амбициозным проектом – полетом на Марс на ядерных двигателях. Проект был назван NERVA. Ядерный двигатель должен был нагревать рабочее тело двигателя до 2000 °C. В январе 1965 года были произведены испытания ЯРД под кодовым названием – «КИВИ» (KIWI). Проект был свернут в 1971 году.
Однако пять лет назад американцы вновь вернулись к данной теме, заказав разработку ядерного теплового двигателя (Nuclear Thermal Propulsion, NTP) компании Gryphon Technologies. NTP планируется использовать в космических рейдерах на атомных двигателях для патрулирования окололунного и околоземного пространства. По заявлению Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA), федеральное правительство США делает большие ставки на ядерные ракетные двигатели в проекте доставки своих астронавтов на Марс.
В феврале 2018 года появились сообщения о том, что NASA возобновляет научно-исследовательские работы по ядерному ракетному двигателю. Работы ведутся в рамках проекта DRACO по созданию ядерной двигательной установки для полета на Луну (запуск и демонстрация намечены на 2027 год).
В ноябре 2017 года Китайская аэрокосмическая научно-техническая корпорация (CASC) опубликовала дорожную карту развития космической программы КНР на период 2017–2045 годов. Она предусматривает, в частности, создание многоразового корабля с ядерным ракетным двигателем.
В Европе сообщают о разработке малых модульных реакторов для межпланетного транспорта. В частности, упоминаются международные проекты MEGAHIT и DEMOCRITOS, в которых участвуют страны Евросоюза и Великобритания. Россия тоже была в числе участников проекта.
В ожидании «Нуклона»
В начале 2010-х в России начались работы над проектом «Нуклон» – ядерной электродвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса для космических транспортных систем. Этот проект позволил бы решать большой спектр задач в космосе: исследование Луны и дальних планет с созданием на них автоматических баз.
«Нуклон» – это космический комплекс с ядерной энергетической установкой для разрабатываемого космического буксира «Зевс». Этот проект ориентирован на научные исследования в интересах освоения Луны. Согласно техническому заданию, космический буксир сможет переместить на орбиту Луны полезную нагрузку массой до 10 т не более чем за 200 суток. Этот срок существенно больше времени полета к Луне на традиционных жидкостных ракетах (ЖРД), так как буксир использует ионные двигатели, которые многократно слабее, но существенно энергоэффективнее ЖРД. В отличие от ядерного ракетного двигателя, в ЯЭДУ реактор используется только для выработки электроэнергии. Она, в свою очередь, используется для запуска и питания электрического ракетного двигателя, а также обеспечивает электропитание бортовых систем космического аппарата.
Ядерная энергодвигательная установка способна обеспечить 10-летнюю эксплуатацию, большой межремонтный интервал и продолжительное время работы на одном включении. И самое главное: ЯЭДУ работает по замкнутому циклу без выброса радиоактивных веществ. Бортовой ядерный реактор ЯЭДУ может полностью обеспечивать энергетические потребности корабля. Одна загрузка реактора (несколько сотен килограммов ядерного топлива) обеспечивает несколько полетов на Марс и обратно, на околоземную орбиту, и повторное использование его основных элементов для последующих экспедиций. Такая возможность отсутствует для варианта на базе ядерного ракетного двигателя.
Планируется, что ЯЭДУ можно будет использовать для российско-китайского проекта лунной станции. В 2033–2035 годах такую ядерную энергоустановку доставят и установят на поверхности Луны.
Первая миссия «Нуклона» запланирована на 2030 год. На первом этапе буксир состыкуется в космосе с модулем полезной нагрузки и отправится к Луне, прозондирует ее и оставит на орбите Луны научно-исследовательский спутник. На втором этапе космический аппарат должен отправиться на Венеру. По пути могут быть проведены испытания дозаправки буксира топливом (ксеноном). После этого буксир с оставшейся научной аппаратурой произведет гравитационный маневр и полетит к конечной точке – одному из спутников Юпитера.
В России уже прошли наземные испытания системы охлаждения космической ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса. Это серьезный этап проекта по созданию космического транспортного комплекса нового поколения.
Риски, риски, риски
Однако использование ядерной энергии в космосе требует строгих мер контроля. В космосе нельзя использовать воду для поглощения тепла, поэтому требуется эффективная система охлаждения. Обычно для этого используют панельные радиаторы, но они имеют большой вес и габариты, а также не защищены от попадания метеоритов.
Кроме того, мощный реактор – это источник радиации. При ядерных реакциях возникают потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны), происходит вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов, а также истечение радиоактивных газов с рабочим телом.
Ядерные реакторы, даже компактные, довольно тяжелы. Нужны сверхнадежные протоколы безопасности, особенно при запуске с Земли и на случай нештатных ситуаций. Аварии могут провоцироваться воздействием самого реактора на электронику. Извлечение отработанного горючего и перезаправка на орбите если теоретически и возможны, но нерентабельны.
Предотвращение загрязнения космоса радиоактивными материалами искусственного происхождения регламентируется международными соглашениями: Договор об ограничении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой (1963), Конвенция об оперативном оповещении о ядерной аварии (1986) и Конвенция о помощи в случае ядерной аварии или радиационной аварийной ситуации.
Тем не менее ученые и инженеры по всему миру работают над созданием таких установок. И может, благодаря ЯЭДУ зацветут яблони на Марсе еще в этом столетии!
Константин Ремчуков 