Впереди Марс?: военно-космический атомный привод России

Немало шума в СМИ и соцсетях наделали заявления Владимира Путина о том, что в России идут испытания крылатой ракеты нового поколения, обладающей почти неограниченным запасом хода и являющейся благодаря этому практически неуязвимой для всех существующих и проектируемых систем противоракетной обороны.

«В конце 2017 года на центральном полигоне Российской Федерации состоялся успешный пуск новейшей российской крылатой ракеты с ядерной энергетической установкой. В ходе полёта энергоустановка вышла на заданную мощность, обеспечила должный уровень тяги», – заявил Путин во время традиционного послания Федеральному собранию.

О ракете говорилось в контексте иных передовых российских разработок в сфере вооружений, наряду с новой межконтинентальной баллистической ракетой «Сармат», гиперзвуковой ракетой «Кинжал» и т. п. Поэтому совершенно неудивительно, что заявления Путина анализируют преимущественно в военно-политическом ключе.

Однако на самом деле вопрос стоит гораздо шире: похоже, что Россия стоит на пороге освоения настоящей технологии будущего, способной принести революционные изменения в ракетно-космическую технику и не только.

Но обо всём по порядку…

Реактивные технологии: «химический» тупик

Вот уже без малого сто лет, говоря о реактивном двигателе, мы чаще всего имеем в виду химический реактивный двигатель. И реактивные самолёты, и космические ракеты приводятся в движение за счёт энергии, получаемой при сгорании находящегося на их борту топлива.

В общих чертах работает это так: топливо поступает в камеру сгорания, где смешивается с окислителем (атмосферным воздухом в воздушно-реактивном двигателе или кислородом из находящихся на борту запасов в ракетном). Затем смесь воспламеняется, в результате чего быстро выделяется значительное количество энергии в виде тепла, которое передаётся газообразным продуктам сгорания. При нагревании газ стремительно расширяется и как бы выдавливает себя через сопло двигателя со значительной скоростью. Возникает реактивная струя и создаётся реактивная тяга, толкающая летательный аппарат в сторону, противоположную направлению течения струи.

He 178 и Falcon Heavy – изделия и двигатели разные, но сути это не меняет.

Реактивные и ракетные двигатели во всём их многообразии (от первого реактивного самолёта «Хейнкель 178» до Falcon Heavy Илона Маска) используют именно этот принцип – меняются лишь подходы к его применению. И все конструкторы ракетной техники вынуждены так или иначе мириться с фундаментальным недостатком этого принципа: необходимостью возить на борту летательного аппарата значительное количество быстро расходуемого топлива. Чем большую работу предстоит совершить двигателю, тем больше топлива должно быть на борту и тем меньше полезного груза сможет взять с собой в полёт летательный аппарат.

К примеру, максимальная взлётная масса авиалайнера Boeing 747-200 составляет порядка 380 тонн. Из них 170 тонн приходится на сам самолёт, порядка 70 тонн – на полезную нагрузку (вес груза и пассажиров), а 140 тонн, или примерно 35%, весит топливо, которое в полёте сгорает со скоростью порядка 15 тонн в час. То есть на каждую тонну груза приходится 2,5 тонны топлива. А ракета «Протон-М» для вывода на низкую опорную орбиту 22 тонн груза расходует порядка 630 тонн топлива, т. е. почти 30 тонн топлива на тонну полезной нагрузки. Как видно, «коэффициент полезного действия» более чем скромный.

Если говорить о действительно дальних полётах, например, к другим планетам Солнечной системы, то соотношение «топливо – нагрузка» становится просто убийственным. К примеру, американская ракета «Сатурн-5» могла доставить к Луне 45 тонн груза, сжигая при этом свыше 2000 тонн топлива. А Falcon Heavy Илона Маска при стартовой массе в полторы тысячи тонн на орбиту Марса способна вывести лишь 15 тонн груза, то есть 0,1% от своей начальной массы.

Именно поэтому пилотируемый полёт на Луну до сих пор остаётся задачей на пределе технологических возможностей человечества, а полёт на Марс выходит за эти пределы. Хуже того: существенно расширить эти возможности, продолжая и дальше совершенствовать химические ракеты, уже не представляется возможным. В их развитии человечество «упёрлось» в потолок, определяемый законами природы. Для того чтобы идти дальше, нужен принципиально иной подход.

«Атомная» тяга

Сжигание химического топлива уже давно перестало быть наиболее эффективным из известных способов получения энергии.

Из 1 килограмма каменного угля можно получить около 7 киловатт-часов энергии, тогда как 1 килограмм урана содержит около 620 тысяч киловатт-часов.

И если создать двигатель, который будет получать энергию от ядерных, а не от химических процессов, то такому двигателю потребуется в десятки тысяч (!) раз меньше топлива для совершения той же работы. Ключевой недостаток реактивных двигателей таким образом можно будет устранить. Однако от идеи до реализации огромный путь, на котором предстоит решить массу сложных проблем. Во-первых, требовалось создать достаточно лёгкий и компактный ядерный реактор для того, чтобы его можно было установить на летательный аппарат. Во-вторых, надо было придумать, как именно использовать энергию распада атомного ядра для нагрева газа в двигателе и создания реактивной струи.

Наиболее очевидным вариантом было просто пропускать газ через раскалённую активную зону реактора. Однако, взаимодействуя напрямую с топливными сборками, этот газ становился бы весьма радиоактивным.Покидая двигатель в виде реактивной струи, он бы сильно заражал всё вокруг, так что использовать подобный двигатель в атмосфере было бы неприемлемо. Значит, тепло из активной зоны нужно передавать как-то иначе, но как именно? И где взять материалы, способные много часов сохранять свои конструктивные свойства при столь высоких температурах?

Сообщение о том, что российским учёным удалось найти решение этих и других проблем, вплотную подойдя к созданию ядерного ракетного двигателя, многим показалось неожиданным и сенсационным.

Однако сюрпризом эта новость стала лишь для тех, кто совсем не следит за российской наукой, ведь работы в этом направлении активно идут уже много лет.

реактор «Топаз»: маленький, да удаленький

Опыт создания компактных ядерных реакторов у российских учёных есть. Первые установки такого рода были созданы ещё в советское время: так, в 1977 году на околоземную орбиту вывели спутник «Космос-954» с ядерным реактором БЭС-5 «Бук». При весе примерно в 1 тонну «Бук» был способен производить 3 киловатта электроэнергии, от которой питался бортовой радиолокатор. В 1987 году был выведен на орбиту спутник «Космос-1818» с реактором «Тополь» («Топаз-1») мощностью в 6,6 киловатта.

С распадом СССР работы по созданию космических ядерных установок по понятным причинам прекратились. Две установки «Енисей» («Топаз-2») за 13 миллионов долларов уже после распада СССР приобрели американцы, изрядно отстававшие от Советов в этой области. Разработка установки «Енисей-3», мощность которой должна была составлять до 100 киловатт, была заморожена.

В 2009 году было заявлено о том, что Россия начинает разрабатывать новое поколение компактных реакторов для космической техники – соответствующее решение приняла комиссия по модернизации и технологическому развитию экономики России при президенте РФ. Ядерная установка мегаваттной мощности должна была стать «сердцем» космического корабля принципиально нового типа, так называемого транспортно-энергетического модуля (ТЭМ).

В 2012 году было завершено эскизное проектирование установки. В 2014-м Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники (НИКИЭТ) им. Н. А. Доллежаля сообщил о завершении испытаний системы управления реактором. В 2015-м стало известно об испытаниях корпуса реактора и макетов систем антирадиационной защиты. В марте 2016 года была изготовлена опытная партия топливных элементов, в декабре проведены испытания макета активной зоны. В ноябре 2017 года было сообщено о создании стендового макета установки, полностью готового для рабочих испытаний.

Кое-что об устройстве нового реактора известно из статьи директора НИКИЭТ Юрия Драгунова. Он пишет, что новый реактор будет обладать тепловой мощностью в 3,5 мегаватта и иметь ресурс работы до 10 лет. В конструкции активной зоны реактора используются новейшие тугоплавкие материалы и сплавы на основе молибдена (разработка НПО «Луч»). Топливом будет служить карбонитрид урана с на 20% более высокой, чем в обычных реакторах, степенью обогащения изотопом U-235. В качестве теплоносителя выступает гелий-ксеноновая смесь, нагревающаяся в ходе работы до полутора тысяч градусов (в наиболее распространённых «стационарных» реакторах ВВЭР-1000 эту роль играет обычная вода, нагревающаяся до 200–300 градусов). Завершение работ изначально было запланировано на 2018 год, однако сейчас чаще говорят о планах сдать проект в 2019-м.

Как мы уже говорили выше, изначально реактор (официально – ядерная энергетическая установка мегаваттного класса, ЯЭУ) разрабатывался для космоса. Однако нельзя исключать, что уже «по ходу пьесы» могли возникнуть альтернативные варианты использования устройства на Земле, в том числе и в военной сфере.

Ракеты, торпеды, но не только!

ЯЭУ, подобная описанной выше, вполне может стать «сердцем» реактивных двигателей на ядерной тяге без существенных доработок. К примеру, высокая температура теплоносителя этой установки позволяет использовать её в качестве «нагревательного элемента» в турбореактивных двигателях различных конструкций. В используемых сегодня химических турбореактивных двигателях наружный воздух всасывается внутрь двигателя и под давлением подаётся в камеру сгорания. Там он смешивается с топливом, после чего смесь воспламеняется, нагреваясь до температуры в 1000 градусов. Расширившийся из-за резкого нагревания газ направляется в сопло, создавая реактивную тягу.

Ядерный турбореактивный двигатель будет работать почти так же, только вместо камеры сгорания у него будет «камера нагрева», где воздух будет вступать в контакт с радиатором, внутри которого будет циркулировать раскалённая до полутора тысяч градусов гелий-ксеноновая смесь системы охлаждения. В целом этого должно быть вполне достаточно для того, чтобы создать необходимую тягу и заставить двигатель работать. При этом не расходуется никакое горючее: для нагрева используется энергия атомного распада, и поэтому подобный двигатель может работать неделями без остановки, лишь бы выдержали все конструктивные элементы.

облик подводного беспилотника, анонсированного Владимиром Путиным

Ещё проще представить себе применение ЯЭУ в «беспилотных глубоководных аппаратах», также упомянутых Путиным в том же послании. Фактически это будет что-то вроде суперторпеды, которая будет всасывать забортную воду, превращать её в разогретый пар, который и будет формировать реактивную струю. Такая торпеда сможет преодолевать тысячи километров под водой, перемещаясь на любых глубинах и будучи способной поразить любую цель в море или на побережье. При этом перехватить её по пути к цели будет практически невозможно.

В настоящий момент готовых к постановке на вооружение образцов подобных устройств у России, похоже, пока нет. Что касается крылатой ракеты с ядерным приводом, о котором говорил Путин, то здесь речь, по всей видимости, идёт о тестовом запуске «массогабаритной модели» такой ракеты с электрическим нагревателем вместо атомного. Именно это и могут означать слова Путина о «выходе на заданную мощность» и «должном уровне тяги» – проверке того, может ли двигатель такого устройства работать с такими «входящими параметрами». Конечно, в отличие от образца на атомной тяге, «макетное» изделие не способно пролететь сколь угодно значительное расстояние, но ведь этого от него и не требуется. На таком образце можно отработать технологические решения, связанные с чисто «двигательной» частью, – пока на стенде идёт доработка и обкатка реактора.Отделять этот этап от сдачи готового изделия может совсем немного времени – год или два.

Ну а если подобный двигатель может быть использован в крылатых ракетах, то что помешает применять его в авиации? Представьте себе авиалайнер на ядерной тяге, способный без посадки и дозаправки преодолевать десятки тысяч километров, не пожирая при этом сотни тонн дорогостоящего авиационного топлива! В общем, мы говорим об открытии, способном в перспективе совершить настоящую революцию в транспортной сфере…

Впереди Марс?

Однако куда более волнующим представляется всё-таки основное предназначение ЯЭУ – стать ядерным сердцем космических кораблей нового поколения, которые сделают возможным надёжное транспортное сообщение с другими планетами Солнечной системы. Конечно, в безвоздушном космическом пространстве нельзя использовать турбореактивные двигатели, использующие забортный воздух. Вещество для создания реактивной струи здесь, как ни крути, придётся везти с собой. Задача состоит в том, чтобы в ходе работы расходовать его гораздо более экономно, а для этого скорость истечения вещества из сопла двигателя должна быть как можно более высокой. В химических ракетных двигателях эта скорость составляет до 5 тысяч метров в секунду (обычно 2–3 тысячи), и существенно увеличить её не представляется возможным.

Куда больших скоростей можно добиться, используя иной принцип создания реактивной струи – разгон заряженных частиц (ионов) электрическим полем. Скорость струи в ионном двигателе может достигать 70 тысяч метров в секунду, то есть на получение одного и того же количества движения потребуется потратить в 20–30 раз меньше вещества. Правда, такой двигатель будет потреблять довольно много электроэнергии. И вот для производства этой энергии и понадобится ядерный реактор.

Макет реакторной установки для ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса

Электрические (ионные и плазменные) ракетные двигатели уже существуют, например, ещё в 1971 году на орбиту Земли СССР вывел на орбиту космический аппарат «Метеор» со стационарным плазменным двигателем СПД-60 разработки ОКБ «Факел». Сегодня аналогичные двигатели активно используются для коррекции орбиты искусственных спутников Земли, но их мощность не превосходит 3–4 киловатт (5 с половиной лошадиных сил).

Однако в 2015 году Исследовательский центр им. Келдыша заявил о создании опытного образца ионного двигателя с мощностью порядка 35 киловатт (48 л. с.). Звучит не слишком впечатляюще, однако нескольких таких двигателей вполне достаточно для того, чтобы приводить в действие космический корабль, перемещающийся в пустоте и вдали от сильных гравитационных полей. Ускорение, которое будут придавать такие двигатели космическому кораблю, будет небольшим, но зато поддерживать его они смогут долгое время (существующие ионные двигатели обладают временем непрерывной работы до трёх лёт).

В современных космических кораблях ракетные двигатели работают лишь незначительное время, тогда как основную часть полёта корабль летит по инерции. Ионный двигатель, получающий энергию от ядерного реактора, будет работать всё время полёта – в первой его половине разгоняя корабль, во второй – тормозя его. Расчёты показывают, что подобный космолёт мог бы добраться до орбиты Марса за 30–40 дней, а не за год, как корабль с химическими двигателями, и к тому же перевезти с собой спускаемый аппарат, который сможет доставить человека на поверхность Красной планеты, а затем забрать его оттуда.