27.01.2010 12:35

Ядерные ракетные двигатели: Упущенная возможность

разместил Сергей Александров

СЕНСАЦИЯ-96

Несмотря на то, что научно-техническая революция, вроде бы, не прекращалась, современная жизнь нечасто радует какими-то принципиально-новыми техническими достижениями. Выставок стало много - и это хорошо, но вот выставлять на них почти нечего.

Но иной раз какое-нибудь оборонное КБ обнародует "нечто", созданное, может быть, еще десятилетия назад - и останется только восторгаться и ахать. Свежий пример - проходившая в начале июня выставка "Двигатель-96".

Ситуация с двигателями в стране, прямо скажем, тяжелая. Впервые за почти шесть десятилетий мы закупаем иностранные двигатели не для копирования и производства у себя (было и такое), не для изучения передового зарубежного опыта - для установки на самолеты. Про моторы автомобильные речь вообще не идет - уровень большинства серийных образцов всем хорошо известен.

Самое печальное - в этих областях у наших конструкторов масса поводов для гордости. Достаточно перечислить только самолетные Д-30-Ф6, АЛ-31/33, Д-18Т, Д-436, НК-32, НК-93, наконец - многострадальный ПС-90. Но... какие-то из них создавались для боевых машин, и потому сегодня невостребованы. Другие просто не выпускаются, или выпускаются в недостаточном количестве. А ведь авиадвигатель - сложнейшая система, постоянно совершенствующаяся на протяжении всего его выпуска. Чем больше серия - тем более отлажено производство, тем надежнее и дешевле каждый отдельный агрегат, тем больше его ресурс. Увы...

Но это проблемы уже слишком хорошо известные, а посетителей выставки ждала сенсация! Воронежское КБ "Химавтоматика", известное также, по имени своего основателя, как "фирма Косберга", прославившееся созданием жидкостных ракетных двигателей для верхних ступеней ракет-носителей "Союз", "Протон", мощнейшего советского водородного двигателя для "Энергии", представило, наконец, советский ЯДЕРНЫЙ РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ.

 

ДЛЯ "ДАЛЬНЕКОСМИЧЕСКИХ" АМБИЦИЙ

Жидкостные (шире - химические) ракетные двигатели открыли человеку дорогу в космос - на околоземные орбиты. Но дальше двигаться на этой энергетической базе просто не имеет смысла: скорость истечения реактивной струи в них не превышает 4.5 км/с, а для межпланетных полетов нужны десятки километров в секунду. Они же не помешают и для некоторых околоземных маневров, например для изменения плоскости орбиты. А чтобы получить конечную скорость больше скорости истечения нужно, по формуле Циолковского, чтобы отбрасываемая масса была значительно больше остающейся. В свою очередь, для дальних полетов эта конечная масса тоже не маленькая...

Короче, пределы возможностей химических двигателей были видны давно, а следующей ступенью по объему энергетического выхода были ядерные реакции. Не удивительно, что работы по ядерным ракетным двигателям - ЯРД - начались в нашей стране и в США еще в 50-х годах. Но если названия американских программ "Нерва" и "Ровер", опытных реакторов "Киви" и "Феб" хорошо известны не только специалистам, но и просто любопытным, то об отечественных разработках в этой области до недавнего времени приходилось только догадываться.

Впрочем, это в какой-то степени соответствовало вниманию руководства государства и космической отрасли, объемам финансирования, а значит и темпам разработок. Считая, что атомные двигатели могут быть применены уже в межконтинентальных баллистических ракетах, а там, глядишь, и на Марс пора, американцы, вложив миллионы, в середине 50-х годов построили в 100 милях к западу от Лас-Вегаса грандиозный испытательный комплекс и уже в июле 1959 г. провели первые "огневые" испытания двигателя с реактором "Киви".

К середине 70-х годов в рамках программы "Нерва-2" предполагалось создать ЯРД с тягой около 30 тонн (ну, ЖРД к этому времени давали 680-720 т), а скоростью истечения - 8.1 км/с! Но к этому времени МБР были уже созданы, на Марс лететь расхотелось, да еще Вьетнам... Наконец, нужно было выбирать: или ЯРД, или "Шаттл", выбрали "Шаттл", и в 1973 г. программа была закрыта.

 

"НЕСИММЕТРИЧНЫЙ" ОТВЕТ

У нас хватило ума не форсировать работы - или, скорее, не хватило на это сил. Зато научные исследования пошли сразу в нескольких направлениях: космические энергетические установки, ЯРД с твердой активной зоной (энерговыделение которых ограничено температурой плавления ТВЭЛов) и ЯРД "газофазные", где такого ограничения нет, и скорость истечения может быть увеличена еще в несколько раз - правда ценой колоссальной сложности отработки и испытаний и невозможности работы в атмосфере. Работами этими занялся НИИ тепловых процессов - головной научно-исследовательский институт по ракетным двигателям. Широко привлекались и атомщики, головным по реакторам был институт им. Курчатова. А собственно двигателем занялось КБ "Химавтоматика".

Вот только денег на комплекс типа американского не нашлось. Именно поэтому полномасштабные испытания ЯРД в нашей стране до сего дня не проводились - двигатель может работать только с жидким водородом в качестве рабочего тела, испытывать ядерные энергоустановки можно только на Семипалатинском полигоне (кстати, экспериментальные стенды работают и по сей день), но криогенного водородного комплекса там нет!..

А что же есть? Испытания проводятся двух типов. Во-первых, "горячий" прогон реактора с энергосъемом газообразным водородом. Теплоемкость у него меньше, чем у жидкого, поэтому не все режимы возможны, однако современное состояние реакторостроения позволяет экстраполировать результаты. Главное здесь - чисто "ядерные" параметры предельно облегченного высоконагруженного реактора.

Во-вторых, это газодинамические испытания - продувка тем же газообразным водородом всего газового тракта. Очень важно, чтобы газ тек сквозь активную зону именно так, как рассчитано.

Весь проведенный комплекс испытаний позволяет утверждать, что двигатель РД-0410 за 10 включений в течении 1 часа (3600 сек.) будет выдавать тягу 3.6 т и скорость истечения 8,93 км/с при тепловой мощности реактора 196 МВт. Агрегат с теневой защитой но без высотного сопла имеет длину 3.6 м, диаметр 1.6 м и массу 2 тонны.

Нужно отметить, что размерность выбиралась только из одного соображения - чтобы можно было испытать установку на существующих стендах. Но имеющиеся технологии позволяют без принципиальных изменений конструкции и почти не меняя размеров и массы создать двигатель тягой до 40 тонн - для межпланетных кораблей, стартующих с околоземной орбиты, или межорбитальных транспортеров этого больше чем достаточно.

Можно и больше, но тогда нужно перекомпоновывать тепловыделяющую сборку. Дело в том, что управление реактором осуществляется не пресловутыми стержнями, вводимыми в активную зону, а поворотными барабанами, заполненными карбидоим бора, и расположенными в бериллиевом отражателе по ее периферии. Понятно, что такая схема (кстати, типовая для отечественных реакторов космического назначения, и известном "Топазе" то же самое) работает только при определенной геометрии реактора.

 

УСТАРЕЛИ, НЕ РОДИВШИСЬ

Несмотря на печальное, в целом, положение дел, что в двигателестроении, что в космонавтике, программа ядерного ракетного двигателя еще теплится. Глупо отрицать ее конверсинонный потенциал: даже без учета двойного использования появившихся в ходе создания ЯРД технологий, в лоб - как правило, реакторы такой мощности весят значительно больше, а энергия - это то, чего всем не хватает.

Но найдут ли применение ЯРД в той области, для которой они создавались?

Они значительно эффективнее ЖРД, но только в определенном диапазоне. Они не могут запускаться на Земле. Они не могут и возвращаться на Землю из-за остаточной радиации. Они требуют тяжелой радиационной защиты. Их скорость истечения (специалисты чаще применяют термин "удельный импульс", измеряется в секундах, численно равен скорости истечения в м/с, деленной на ускорение свободного падения на Земле) все равно не достаточна для эффективного решения межпланетных задач.

Да и сами межпланетные задачи... Под воронежский двигатель не было и нет конкретной программы. От его использования отказалась ракетно-космическая корпорация - тогда еще НПО - "Энергия", делавшая ставку на электроракетные двигатели. Ее конкурента – НПО машиностроения, имевшего такой проект, не очень допускают до пилотируемой программы. Ну, в общем не видит сейчас общество особых причин торопиться на Марс!

ЯРД, конечно, стоит иметь - межпланетные полеты могут понадобиться раньше, чем будут доведены "полевые" двигатели. Но, может и к лучшему, что в нашей стране эти работы не вышли из стадии научно-исследовательских. Не случайно в Штатах испытательный комплекс ядерных двигателей окрестили "Страной дураков"...

Изменено 04.03.2010 18:08
Сергей Александров
Сергей Александров

заместитель координатора ОНИОО Космопоиск по общим вопросам

Сайт: n1l3m.narod.ru