В поисках ядерного буксира: ближайшее будущее ракетных двигателей

Следующий шаг сделал итальянский аэродинамик Гаэтано Крокко. В 1923 году он выступил с докладом «Замечания о технике воздухоплавания», заявив: такой «прямой» способ разгона достижим только при использовании мощнейших электромагнитных полей, которые могли бы заменить стенки камеры сгорания, что технически невероятно сложно. Куда разумнее применить «непрямой» способ – превращение атомной энергии в тепловую нагревом инертного рабочего тела, которое направляется в реактивное сопло.

Первые намеки на переход от теории к практике появились в годы Второй мировой войны, когда ракетный конструктор Вернер фон Браун узнал об «урановой машине», которую разрабатывал Гейзенберг. Ядерное устройство создавалось для подводных лодок, но

его в принципе можно было использовать и как реактор, расщепляющий воду на водород и кислород для подачи в камеру сгорания. В 1944 году фон Браун провел несколько консультаций с Гейзенбергом, однако стало ясно: создание компактного реактора – слишком далекая перспектива.

После войны немецкие ракетчики были перевезены в США, и плодотворная идея вновь стала востребованной. Фон Браун активно популяризировал свой Marsprojekt, предусматривавший отправку к соседней планете шести кораблей с ядерными двигателями. Некоторые его расчеты использовали при конструировании сверхтяжелой ракеты Nova для доставки на Луну кораблей Apollo: среди прочих рассматривался вариант установки на верхнюю ступень водородного двигателя с реактором. Однако в 1964 году проект Nova был заморожен, корабли запускали с помощью ракеты Saturn V на обычном топливе.

​

В СССР работы над двигателями, использующими атомную энергию, начались во второй половине 1950-х при участии крупнейших ученых того времени – Мстислава Келдыша, Игоря Курчатова, Сергея Королева, Валентина Глушко. В конце 1959 года был утвержден проект двухступенчатой ракеты с реактором, разогревающим аммиак, который выбрасывался через четыре сопла. По расчетам, такой носитель мог вывести в космос 150 т – целый межпланетный корабль! Затем, однако, концепция изменилась: специалисты предпочли твердофазный вариант, при котором жидкий водород сперва охлаждает корпус реактора и тепловыделяющие сборки снаружи, а затем поступает внутрь, нагревается до 3000 К и выбрасывается через сопло.

Разработкой реактора ИР-100 для такой двигательной установки (РД-0410) занимался НИИ № 1, будущий Центр им. Келдыша. Для испытаний на Семипалатинском полигоне построили две шахты, и на рубеже 1970–1980 годов краны опустили экспериментальные установки на глубину. Раскаленный водород огненной струей вырывался наружу, и, хотя истекающие газы имели слабую радиоактивность, приближаться к шахте запрещалось еще месяц. Эксперименты подтвердили работоспособность ИР-100: советский атомный двигатель для космоса был создан. К сожалению, он так и остался невостребованным, поскольку планируемые межпланетные экспедиции отменили, а использовать РД-0410 на околоземной орбите оказалось невыгодно и опасно.

Однако полученный опыт побудил инженеров искать новые пути применения. В 1987 году РКК «Энергия» предложила проект тяжелого межпланетного корабля (ТМК), оснащенного двумя связками электроракетных двигателей, работающих на ксеноне, с ядерным источником энергии. Согласно расчетам, пилотируемая экспедиция к Марсу и обратно на таком корабле заняла бы 716 суток. Технически проект был вполне осуществим: в то время СССР располагал ракетой «Энергия», которая могла вывести модули корабля на орбиту. Но после аварии на Чернобыльской АЭС развилась массовая радиофобия, и конструкторы отказались от реакторов, заменив их массивными солнечными батареями. Вскоре и проект ТМК ушел в никуда.

О нем заговорили снова лишь в нулевые, когда в РКК «Энергия» родилась необычная идея по упрощению и удешевлению полетов на геостационарные орбиты высотой 35–37 тыс. км. Как известно, именно здесь выгоднее всего размещать телекоммуникационные спутники, поэтому такие орбиты обладают наибольшим коммерческим потенциалом. Буксир мог бы поднимать туда новые аппараты и сводить вниз старые. Для такой работы требуется высокая мощность, и в «Энергии» взялись за разработку ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) на основе советского ТМК.

Так появился проект транспортной системы из трех унифицированных буксиров: тральщика, постоянно находящегося на геостационарной высоте и собирающего устаревшие аппараты; транспорта дальнего действия, который перемещается между геостационарной и средней (800 км) орбитами; и транспорта ближнего действия, выводящего спутники на высоту 800 км. Буксиры планировалось снабдить одинаковыми ЯЭДУ с реакторами мощностью по 150 кВт и термоэмиссионными преобразователями тепла в электричество (нагреванием катода, который в процессе излучает электроны).

В дальнейшем специалисты РКК планировали построить установки с реакторами мощностью от 0,6 до 2,1 МВт для доставки грузов на Луну, Марс и даже к поясу астероидов, причем каждый буксир мог бы совершать до шести рейсов. Замысел поддержало правительство, и в 2010 году началось проектирование транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) с ЯЭДУ мегаваттного класса, позднее получившего название «Нуклон». Головным разработчиком стал Исследовательский центр им. Келдыша.

Конструкторам пришлось постараться, чтобы создать мощный и компактный реактор. Революционным для космоса нововведением стало применение для преобразования тепла в электричество не термоэмиссионной системы, а турбины – как на земных станциях. Другая оригинальная идея – сброс избыточного тепла через капельный холодильник-излучатель: нагретое вещество пропускается через открытый космос и снова собирается уже охлажденным. Сама установка вырабатывает только электричество, а его, в свою очередь, использует ионный двигатель ИД-ВМ, где ксеноновая плазма ускоряется, создавая тягу.Эскизное проектирование было завершено в 2013 году, хотя столь нестандартные решения потребовали дополнительных исследований. Однако срыв заданных сроков вызвал недовольство правительства, и через пять лет Роскосмос передал проект системы в КБ «Арсенал», который продолжает эту работу до сих пор. В прошлом году стало известно, что конструкцию космического буксира, которому присвоили имя «Зевс», опять модифицируют, а турбину снова заменит термоэмиссионный преобразователь. В 2021-м был назван срок отправки первого изделия на орбиту – по заявлению руководства Роскосмоса, его планируется запустить в 2030 году ракетой «Ангара-А5» с космодрома Восточный в Амурской области.

Ожидается, что экспериментальная миссия продлится 50 месяцев. После старта аппарат достигнет Луны, далее совершит гравитационный маневр около Венеры и в конце концов окажется в системе Юпитера. Кроме того, глава Роскосмоса Дмитрий Рогозин сообщил, что «Зевс» может быть включен в состав Российской орбитальной служебной станции (РОСС), сборка которой начнется в конце 2025 года. Озвучен и военный вариант применения: буксир способен нести на себе локационный комплекс, который будет отслеживать летательные аппараты в интересах противовоздушной обороны.

Если к 2030 году создание модуля с реактором мегаваттной мощности действительно будет завершено, это полностью изменит мировую космонавтику. Например, космический корабль в связке с «Зевсом» сможет добираться до Марса всего за 40–50 дней вместо примерно 200, необходимых при движении по оптимальной инерционной траектории. Человечество получит средство транспорта, которое по своим характеристикам превзойдет все, созданное ранее. Будем надеяться, что ракетно-космическая отрасль сумеет воспользоваться такими перспективами и российские вымпелы наконец-то появятся на соседних планетах.