Мощный и быстрый «Буревестник»: как устроены ядерные двигатели для ракет
Работы над созданием подобных двигателей и в СССР, и в США стартовали еще в начале 1950-х. Один из первых документов, свидетельствующих об этом, – постановление правительства СССР от 20 ноября 1953 года. Согласно документу, академика М.В. Келдыша предписывалось назначить «научным руководителем всех работ по созданию крылатых ракет как с прямоточным воздушно-реактивным двигателем, так и с прямоточным двигателем с использованием атомной энергии». А в 1956 году началась работа над баллистической ракетой дальнего действия с атомным двигателем.
Королев, Глушко, Лейпунский
К проекту привлекли лучшие умы страны: С.П. Королев стал главным конструктором самой ракеты, В.П. Глушко – главным конструктором двигателя, а А.И. Лейпунский – научным руководителем работ по созданию реактора. Возможно, последнюю фамилию вы видите впервые, но именно Лейпунский считается одним из основоположников школы создания реакторов на быстрых нейтронах – об их преимуществах применительно к использованию на крылатых ракетах речь пойдет ниже. Теоретические исследования 1950-х годов подтвердили возможность создания ядерных ракетных двигателей. Однако уже в середине 1960-х стало понятно, что химические двигатели позволяют решать все военные задачи столь же эффективно и намного дешевле. И все же проект не закрывали как минимум до 1990-х – с прицелом на дальние космические полеты.
Двигатель для Луны и Марса
В воронежском КБ «Химавтоматика» (КБХА) в 1965 году приступили к созданию ядерного ракетного двигателя РД-0410 (он же «Иргит», ИР-100 и 11Б91 по классификации ГРАУ), в основе которого был реактор на тепловых нейтронах, а рабочим телом служил водород, проходящий через активную зону реактора. Иными словами, выхлоп был радиоактивным. Однако в то время подобный результат считался в порядке вещей.
Например, у США в 1960-х существовал проект ядерного ракетного двигателя «Плутон», прямоточного и воздушно-реактивного. И закрыли его отнюдь не по экологическим соображениям. Относительно советского РД-0410 отметим, что был он достаточно компактен. По разным данным, его высота составляла около 3,5 м, диаметр – примерно 1,6 м. Как свидетельствует КБХА, таких двигателей в экспериментальных целях произвели три десятка, и в 1978–1981 годах они успешно прошли огневые испытания на стенде Семипалатинского полигона, но в 1988 году работы над проектом прекратили без очевидных причин. Можем лишь предположить, что стране накануне распада было не до полетов на Луну и Марс. Однако хорошая инженерная школа в России осталась, создателям «Буревестника» было от чего отталкиваться.
Чем хорош и плох реактор на быстрых нейтронах
О том, какая двигательная установка стоит на «Буревестнике», официальные источники по понятным причинам умалчивают. Однако два ключевых момента конструкции очевидны.
- Во-первых, ракета имеет твердотопливный ускоритель – он дает характерный выхлоп, который можно наблюдать на видео во время набора высоты и в начале горизонтального полета.
- Во-вторых, ядерный реактивный двигатель явно работает по замкнутому циклу, не загрязняя окружающую среду радиацией. В противном случае после испытаний ракеты, запущенной с полигона на Новой Земле, о радиоактивном заражении атмосферы написали бы все западные СМИ.
Что касается типа используемого реактора, то логично предположить, что это установка на быстрых нейтронах. Хотя бы потому, что у нее эффективность использования топлива составляет 30%, а у реакторов на тепловых нейтронах – 3%. И КПД у «быстрых» реакторов выше: 55% против 35%.
Такое превосходство достигается за счет того, что быстрые нейтроны расщепляют ядра не только урана-235, но и урана-238, который составляет основную массу топлива. При этом оба изотопа еще и трансмутируют в плутоний-239, который потом становится топливом для реакторов.
Тепловые же нейтроны способны вовлекать в цепную реакцию лишь изотоп урана U235, содержание которого в ядерном топливе обычно не превышает 2–4%, и плутоний-239, которого в природном топливе ничтожно мало.
При всех описанных достоинствах промышленных реакторов на быстрых нейтронах в мире всего два (оба в России, на Белоярской АЭС), а исследовательских – 15. Почему так? Потому что их конструкция намного сложнее. Быстрые нейтроны реже попадают в ядра атомов, а значит, промахнувшиеся частицы необходимо улавливать и возвращать в работу с помощью системы отражателей. По той же причине нужно топливо высокой плотности. Ну и наконец, вода в качестве теплоносителя в реакторе с закрытым первым контуром не подходит: она замедляет нейтроны. Вместо воды применяют жидкий металл: натрий, свинец или его смесь с висмутом.
В компактных реакторах, как правило, используется натрий: его температура плавления составляет 97,86 °C, температура кипения – 882,8 °C (у свинца – 327,46 и 1749 °C соответственно). Но главное – разница в массе теплоносителя: удельный вес натрия – 0,971 г/см3, свинца – 11,337.
Что мы знаем о «Буревестнике»
В числе доступной информации о «Буревестнике» – дозвуковая скорость и неограниченная дальность. Последнее означает возможность очень долго находиться в воздухе. Известны и габариты: длина 12 м на старте и 9 м после отстреливания ускорителя; сечение корпуса эллиптическое, диаметром до 1,5 м в широкой части.
Насколько долго может летать ракета с ядерным воздушно-реактивным двигателем?
Грубо говоря, годы. По данным Физико-энергетического института им. А.И. Лейпунского, относительно компактный российский реактор на быстрых нейтронах БН ГТ-300, пока существующий лишь в проекте, рассчитан на 45 лет службы и восемь перегрузок топлива. То есть на одной заправке он будет работать более шести лет. А менее мощный БН ГТ-50 рассчитан на 40 лет работы без перегрузок топлива. Прямые параллели с «Буревестником» тут провести невозможно, но общий порядок цифр понятен.
На первый взгляд, появление «Буревестника» кажется достаточно странным. Зачем в наше время нужна дозвуковая ракета при наличии гиперзвуковых? С тактической точки зрения это нонсенс. А вот со стратегической – ничуть. Система противоракетной обороны вероятного противника – США – рассчитана на перехват баллистических ракет, пуски которых она отслеживает с помощью спутников. Но сплошного контура ПВО на границах США нет. Так что десятки или сотни дозвуковых крылатых ракет с ядерными боеголовками, способных войти в воздушное пространство страны с любой стороны, могут стать существенным фактором ядерного сдерживания.