Журнал «Вокруг Света» №10 за 2006 год
Шрифт:
Отечественные специалисты сконцентрировали внимание на термоионных и термоэмиссионных преобразователях, встроенных в активную зону реактора. Они позволили резко уменьшить габариты и массу радиатора-излучателя при довольно высоком КПД установки в целом.
Масса ядерной энергоустановки определяется ее максимальной мощностью, причем с ростом последней удельная масса системы снижается. Появляется возможность дать больше энергии на электроракетные двигатели, и это очень удачно: при увеличении мощности абсолютная и удельная тяга растут быстрее, чем масса двигателя. Поэтому, сохраняя неизменными величину тяги и время перелета, можно уменьшить необходимую массу топлива и выиграть в массе полезной нагрузки аппарата.
За такими двигателями — будущее, а наша страна, кстати, располагает уникальным опытом создания и эксплуатации реакторных энергоустановок в космосе. В 1960-е годы в СССР были разработаны ядерные энергоустановки «Бук» (с термоэлектрическим преобразователем мощностью 3 кВт) и «Тополь» (более известна
Умеют у нас в стране делать и так называемые «стационарные плазменные двигатели» (СПД), имеющие на порядок большую удельную тягу, чем традиционные химические. Установки на их базе уже давно и успешно работают на многих отечественных и зарубежных спутниках. Удельная тяга, то есть отношение силы тяги к секундному расходу топлива, — важнейшая характеристика любого ракетного двигателя. Чем выше скорость истечения газов, тем выше тяга при одинаковом расходе топлива, а с ней и экономичность двигателя.
Орбитальная станция с ядерным реактором SNAP. Для безопасности реактор вынесен на штанге на 20 метров от станции. Эскиз проекта 1960-х годов
Ионные первопроходцы
Активные исследования в области электроракетных двигателей были начаты в СССР еще в первой половине 1960-х годов. Основной задачей для мощных «электрических ракет» в то время была пилотируемая экспедиция на Марс. Расчетные значения потребной удельной мощности (на уровне 10 МВт) и высокой удельной тяги почти однозначно определяли выбор типа двигателя — блок из 10—20 магнитоплазмодинамических (МПД) ускорителей. Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша (в то время НИИ тепловых процессов), как головной институт космической отрасли, провел обширные теоретические и экспериментальные исследования МПД-двигателей. В первые 10 лет изучались различные рабочие тела, всевозможные конструктивные схемы, разрабатывались методы диагностики, была создана уникальная стендовая база. Позднее, в 1970—1980-х годах, было проведено более 20 летных испытаний МПД-ускорителей, созданных в Центре Келдыша. Также в нашей стране интенсивные исследования МПД-двигателей велись в НПО «Энергия», ЦНИИмаш, ОКБ «Факел», МАИ, МИРЭА и МГТУ. Интерес к разработке ракетных МПД в 1970-е годы заметно снизился, что было вызвано в первую очередь трудностями генерации требуемой мощности в космосе. Так что сейчас работы по большим МПД продолжаются только в МАИ. Стоит заметить, что наряду с такими очевидными достоинствами данного типа двигателей, как высокие электрическая мощность и удельная тяга, у них имеется и один крупный недостаток — малый ресурс работы. В более выгодном положении оказались так называемые «стационарные плазменные двигатели» (СПД). Установки на их базе уже давно и успешно применяются на отечественных спутниках (первое испытание прошло в 1972 году на борту аппарата «Метеор»). Штатная эксплуатация серийных СПД была начата в 1982 году со спутника «Поток», где они использовались для коррекции геостационарной орбиты по долготе (в направлении «восток-запад»). Позже СПД устанавливались на спутниках связи «Луч», «Луч-2», «Купон», «Ямал-100», «Ямал-200». С 1994 года в составе геостационарных аппаратов «Галс», «Экспресс», «Экспресс-А», Sesat и «Экспресс-АМ» в космосе эксплуатируются довольно мощные СПД, которые корректируют орбиту как по долготе, так и по наклонению (в направлении «север-юг»). Надо отметить, что все они получают питание от солнечных батарей. В настоящее время ведущие космические державы активно используют российские электроракетные двигатели на своих аппаратах. Уже в 2002 году предпринимались попытки вывести на геостационарную орбиту спутники Stentor и Astra 1K с нашими СПД, но оба аппарата были потеряны из-за аварий ракетносителей. В 2003 году Европейское космическое агентство запустило к Луне научный аппарат SMART 1, оснащенный двигателем PPS-1350, который стал результатом совместной деятельности российского ОКБ «Факел» и французской компании Snecma. С этого момента зарубежные спутники с российскими электроракетными двигателями на борту стали запускаться регулярно. В 2004 году в космос ушли сразу несколько подобных аппаратов. Так, в июне на «геостационар» выведены Intelsat 10-02 и Telstar 18, в августе — Amazonas, а в феврале 2005 года запущен АМС-12/ WorldSat 2. Не отстают и отечественные спутникостроители, которые оснащают мощными СПД спутники серии «ЭкспрессАМ», «Монитор-М» и другие. Разработчиком двигателей, установленных на борту указанных выше аппаратов, является ОКБ «Факел». В настоящее время активные работы по электроракетным двигателям также проводятся еще в двух организациях — в Центре Келдыша и ЦНИИмаш.
Радиозондаж спутника Юпитера
Недавно российские специалисты Центра Келдыша и НПО имени С.А. Лавочкина (фирма-создатель отечественных «межпланеток») разработали проект автоматической станции с мощным ионным двигателем для исследования спутника Юпитера Европы. Аппарат будет оснащен радиолокатором декаметрового диапазона с мощностью 30 кВт и раскладывающейся антенной площадью 100 м2. Прототип антенны, сверхлегкий раскладной «зонтик» размером 19х6м, разработан и испытан в наземных условиях ОКБ МЭИ совместно с КБ «Салют» (разработчик пилотируемых лабораторий «Салют» и модулей комплексов «Мир» и Международной космической станции). Подобная антенна будет использоваться как для зондирования поверхности Европы, так и для передачи полученных данных на Землю.
Баллистика проекта непроста: тяжелая исследовательская станция начинает свою миссию, раскручивая витки спирали на электроракетных двигателях с радиационно безопасной околоземной орбиты высотой 800 км, на которую ее доставляют носитель «Протон-М» или перспективная ракета «Ангара-5», проектирование которой ведется в настоящее время российским Центром имени М.В. Хруничева . Далее с околоземной орбиты стартует «автобус» массой 18,9—21,5 т. За 330—490 суток аппарат постепенно выходит из гравитационного поля Земли и начинает межпланетный полет. Здесь его «ядерное сердце» не останавливается, и двигатели продолжают работать, а станция набирать скорость. Время перелета «Земля—Юпитер» составит 1 600—1 800 суток, из которых 530—570 суток работает двигатель — сначала на разгон, а затем на торможение.
Формула Циолковского Затраты топлива на разгон тонны груза до заданной скорости при скорости истечения газов 3 км/с
В сфере действия Юпитера траектория движения станции приобретет форму скручивающейся спирали, маневрирование для выхода на орбиту вокруг Европы продлится 280— 435 суток. Итого в общей сложности перелет займет 2 200— 2 700 суток, то есть 6—7 лет. Более половины времени полета двигатель аппарата будет находиться в работе! Отметим: все станции, летавшие к планетам юпитерианской группы, большую часть полетного времени провели в практически выключенном состоянии.
Как показали расчеты, для того, чтобы доставить на орбиту вокруг Европы полезную нагрузку 1 000—1 500 кг, нужна маршевая электроракетная двигательная установка мощностью всего 100 кВт, которую легко можно запитать от небольшого ядерного реактора.
В результате на «околоевропейской» орбите окажется грандиозный аппарат массой 7,0— 8,5 т! Его внешний вид не характерен для отечественных спутников и станций. Он будет напоминать футуристический дизайн кораблей из Голливудских научно-фантастических фильмов: объект неправильной формы, кажущийся случайным нагромождением ферм, ящиков с аппаратурой и параболических антенн сложной формы. Одним словом, атомный электроход для исследования дальнего космоса!
Космический тянитолкай
Птица в полете опирается на воздух, спортсмен-прыгун отталкивается от земли, а у корабля в безвоздушном пространстве нет точки опоры. Поэтому остается только один способ ускорения — выброс части собственной массы с максимальной скоростью в сторону, противоположную той, куда надо двигаться. Но если скорость истечения топлива мала, то большая часть энергии уходит на то, чтобы разгонять вместе с ракетой запасы рабочего тела. В результате КПД ракетной установки резко падает, когда конечная скорость становится заметно больше скорости истечения. Чисто теоретически обычные химические двигатели могут разогнать космический аппарат до скорости, близкой к световой, только топлива для этого понадобится больше, чем все разведанные запасы нефти и газа.
Американский проект JIMO. «Крылья», отходящие от осевой фермы, — это не солнечные батареи, а радиаторы для сброса в космос «отработанной» тепловой энергии
Международное сотрудничество
Отечественный проект аппарата для исследования ледяных океанов Европы выполнен в рамках Федеральной космической программы на период 2006— 2015 годов, которая предусматривает переход от оценки роли ядерной энергетики в реализации перспективных космических программ к реализации «в железе» аппаратов с использованием ядерных энергетических установок. Материалы концептуального проекта были представлены на 41-й сессии Научно-технического подкомитета Комитета ООН по космосу в 2004 году и изложены в докладе на 55-м Международном космическом конгрессе IAC (International Astronautical Congress), который проходил 4—8 октября 2004 года в Ванкувере (Канада).