Военное обозрение

Ядерные технологии для космоса

28

Демонстрация генератора SNAP 3 руководству США, 1959 г. Фото Минэнерго США


Уже на ранних стадиях развития ракетно-космической отрасли появились первые предложения об использовании различных ядерных технологий. Предлагались и прорабатывались разные технологии и агрегаты, но только некоторые из них дошли до реальной эксплуатации. В будущем ожидается внедрение принципиально новых решений.

Первые в космосе


В 1954 г. в США был создан первый радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ или RTG). Основным элементом РИТЭГ является радиоактивный изотоп, распадающийся естественным образом с выделением тепловой энергии. При помощи термоэлемента тепловая энергия преобразуется в электрическую, которая выдается потребителям.

Главным преимуществом РИТЭГ является возможность длительной работы со стабильными характеристиками и без обслуживания. Срок службы определяется периодом полураспада выбранного изотопа. В то же время, такой генератор отличается низкими КПД и выходной мощностью, а также нуждается в биологической защите и соответствующих мерах безопасности. Впрочем, РИТЭГ нашли применение в ряде сфер с особыми требованиями.

Ядерные технологии для космоса

Подготовка к запуску спутника Tansit 4A с РИТЭГ SNAP 3B. Фото NASA

В 1961 г. в США был создан РИТЭГ типа SNAP 3B с 96 г плутония-238 в капсуле. В том же году на орбиту отправился спутник Transit 4A, оснащенный таким генератором. Он стал первым космическим аппаратом на орбите земли, использующим энергию распада ядер. В 1965 г. СССР запустил спутник «Космос-84» – свой первый аппарат с РИТЭГ «Орион-1», использующим полоний-210.

В дальнейшем две сверхдержавы активно использовали РИТЭГ при создании космической техники разного назначения. К примеру, целый ряд марсоходов последних десятилетий получает электроэнергию именно от распада радиоактивных элементов. Схожим образом обеспечивается энергоснабжение миссий, удаляющихся от Солнца.


Схема двигателя NERVA. Фото NASA

За полвека с лишним РИТЭГ доказали свои возможности в ряде сфер, в т.ч. в космической отрасли, хотя и остались специализированным инструментом для отдельных задач. Впрочем, и в такой роли радиоизотопные генераторы способствуют развитию отрасли, проведению исследований и т.д.

Ядерная ракета


Вскоре после старта космических программ ведущие страны начали прорабатывать вопрос создания ядерного ракетного двигателя. Предлагались разные архитектуры с отличающимися принципами работы и различными преимуществами. К примеру, в американском проекте Orion предлагался космический корабль, использующий для разгона ударную волну маломощных ядерных боезарядов. Также прорабатывались конструкции более привычного вида.

В пятидесятых и шестидесятых NASA и смежные организации разработали двигатель NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). Его главным компонентом был ядерный реактор открытого цикла. Рабочее тело в виде жидкого водорода должно было нагреваться от реактора и выбрасываться через сопло, создавая тягу. Ядерный двигатель такого рода по расчетным характеристикам превосходил традиционные системы на химическом топливе, хотя и был более опасным в эксплуатации.


Двигатель РД-0410. Фото КБХА

Проект NERVA довели до испытаний различных компонентов и всей установки в сборе. За время испытаний двигатель включался 28 раз и наработал почти 2 ч. Характеристики были подтверждены; значительные неполадки отсутствовали. Однако проект не получил дальнейшего развития. На рубеже шестидесятых и семидесятых американскую космическую программу серьезно сократили, и от двигателя NERVA отказались.

В тот же период аналогичные работы велись в СССР. Перспективный проект предлагал использование двигателя с реактором, нагревающим рабочее тело в виде жидкого водорода. В начале шестидесятых годов был создан реактор для такого двигателя, а позже начались работы по остальным агрегатам. В течение длительного времени продолжались испытания и отработки различных устройств.


Предполагаемый облик системы Prometheus в конфигурации для полета к Юпитеру. Фото NASA

В семидесятых годах готовый двигатель РД-0410 прошел серию огневых испытаний и подтвердил основные характеристики. Однако дальнейшего развития проект не получил по причине высокой сложности и рисков. Отечественная ракетно-космическая отрасль продолжила использовать «химические» двигатели.

Космические буксиры


В ходе дальнейших исследований и конструкторских работ в США и в нашей стране пришли к выводу о нецелесообразности применения двигателей по типу NERVA или РД-0410. В 2003 г. NASA начало отработку принципиально новой архитектуры космического аппарата с ядерной энергоустановкой. Проект получил название Prometheus.

Новая концепция предлагала строительство космического корабля с полноценным реактором на борту, обеспечивающим выработку электроэнергии, а также с ионным реактивным двигателем. Такой аппарат мог бы найти применение в дальних миссиях исследовательского характера. Однако разработка «Прометея» оказалась чрезмерно дорогой, а результаты ожидались только в отдаленном будущем. В 2005 г. проект закрыли за отсутствием перспектив.


Ранний вариант комплекса ТЭМ. Графика РКК "Энергия"

В 2009 г. разработка аналогичного изделия началась в России. «Транспортно-энергетический модуль» (ТЭМ) или «космический буксир» должен получить ядерную энергоустановку мегаваттного класса, сопряженную с ионным двигателем ИД-500. Корабль предлагается собирать на орбите Земли и использовать для перевозки различной нагрузки, разгона других космических аппаратов и т.д.

Проект ТЭМ отличается высокой сложностью, что сказывается на его стоимости и сроках выполнения. Кроме того, имели место многочисленные проблемы организационного характера. Тем не менее, к середине десятых годов отдельные компоненты ТЭМ были выведены на испытания. Работы продолжаются и в будущем могут привести к появлению реального «космического буксира». Строительство такого аппарата запланировано на вторую половину двадцатых годов; ввод в эксплуатацию – в 2030 г.

При отсутствии серьезных затруднений и своевременном выполнении всех планов, ТЭМ может стать первым в мире изделием своего класса, доведенным до эксплуатации. При этом имеется определенный запас времени, пока исключающий возможность своевременного появления конкурентов.


Поздний вариант ТЭМ. Графика Роскосмоса

Перспективы и ограничения


Ядерные технологии представляют большой интерес для ракетно-космической отрасли. В первую очередь, полезными могут быть энергетические установки разных классов. РИТЭГ уже нашли применение и прочно закрепились в некоторых областях. Полноценные ядерные реакторы пока не используются ввиду больших габаритов и массы, однако уже имеются наработки по кораблям с таким оснащением.

За несколько десятилетий ведущие космические и ядерные державы отработали и проверили на практике целый ряд оригинальных идей, определили их жизнеспособность и нашли основные сферы применения. Подобные процессы продолжаются до сих пор, и, вероятно, вскоре дадут новые результаты практического характера.

Необходимо отметить, что ядерные технологии не получили широкого распространения в космической сфере, и эта ситуация вряд ли изменится. В то же время, они оказываются полезными и перспективными в отдельных направлениях и проектах. И именно в этих нишах уже реализуется доступный потенциал.
Автор:
28 комментариев
Информация
Уважаемый читатель, чтобы оставлять комментарии к публикации, необходимо зарегистрироваться.

Уже зарегистрированы? Войти

  1. stalki
    stalki 24 августа 2020 18:22 Новый
    +4
    Необходимо отметить, что ядерные технологии не получили широкого распространения в космической сфере, и эта ситуация вряд ли изменится. В то же время, они оказываются полезными и перспективными в отдельных направлениях и проектах
    ну на счёт не изменится это не факт, кто мог 200 лет назад предположить, что автомобили полностью вытеснят конный транспорт? Лучше подождём, всё это очень интересно.
    1. Симаргл
      Симаргл 24 августа 2020 19:06 Новый
      +4
      Цитата: stalki
      кто мог 200 лет назад предположить, что автомобили полностью вытеснят конный транспорт?
      200 лет назад очень не многие могли представить автомобиль.
      Да и с поездами было... никак.
      Вот если 150 лет назад сказать, что поезд будет ехать со скоростью пули из револьвера...
    2. Гражданский
      Гражданский 24 августа 2020 19:09 Новый
      +3
      Лишь бы на старте не упал... а так, очень перспективно
      1. garik77
        garik77 24 августа 2020 23:24 Новый
        +1
        ЯРД не предполагает его использование в качестве стартовой ступени. Вывод на орбиту будет по прежнему на химических двигателях (ЖРД/ТтРД), а там уже, в космосе, с помощью ядерной ступени космические аппараты смогут разгоняться до недостижимых сейчас скоростей в десятки и даже сотни километров в секунду.
        1. dsk
          dsk 25 августа 2020 08:22 Новый
          0
          В своё время вся страна (Штаты) работала на лунную программу, а сейчас не хотят, слишком дорогое пока удовольствие. Та же история и в России.
        2. SovAr238A
          SovAr238A 27 августа 2020 20:53 Новый
          0
          Цитата: garik77
          ЯРД не предполагает его использование в качестве стартовой ступени. Вывод на орбиту будет по прежнему на химических двигателях (ЖРД/ТтРД), а там уже, в космосе, с помощью ядерной ступени космические аппараты смогут разгоняться до недостижимых сейчас скоростей в десятки и даже сотни километров в секунду.

          Через тысячу лет с момента начала разгона?
          1. garik77
            garik77 27 августа 2020 21:08 Новый
            -1
            Не пишите ерунды. ЯРД, если вы понимаете о чём речь, имеет солидную тягу, достигающую десятков тонн, т.е. разгонять полезный груз он будет достаточно быстро.
            Если же говорить о ионных и плазменных двигателях, с питанием от реакторной энергетической установки, то и там разгон займёт от нескольких недель до нескольких месяцев. Но это уже не ЯРД, это электроракетный тип двигателей, вот они-то и имеют очень небольшую тягу при громадном удельном импульсе.
            1. SovAr238A
              SovAr238A 27 августа 2020 22:05 Новый
              -1
              Цитата: garik77
              Не пишите ерунды. ЯРД, если вы понимаете о чём речь, имеет солидную тягу, достигающую десятков тонн, т.е. разгонять полезный груз он будет достаточно быстро.
              Если же говорить о ионных и плазменных двигателях, с питанием от реакторной энергетической установки, то и там разгон займёт от нескольких недель до нескольких месяцев. Но это уже не ЯРД, это электроракетный тип двигателей, вот они-то и имеют очень небольшую тягу при громадном удельном импульсе.

              Про ерунду то вы в своих словах не нашли?
              Плохо у вас с восприятием текстов, зато отлично с фантазиями...
              Влажными и детскими...

              А по факту в статье написано прямо:
              В 2009 г. разработка аналогичного изделия началась в России. «Транспортно-энергетический модуль» (ТЭМ) или «космический буксир» должен получить ядерную энергоустановку мегаваттного класса, сопряженную с ионным двигателем ИД-500.


              И где в статье про тягу в десятки тонн?

              Сам придумал?
              1. garik77
                garik77 29 августа 2020 01:20 Новый
                +1
                Чушь несёте, точнее не понимаете что такое ЯРД, Дальше обсуждать не имеет смысла, идите в школу.
  2. Knell Wardenheart
    Knell Wardenheart 24 августа 2020 19:56 Новый
    +1
    Внешние санкции душат развитие этого проекта у нас - нам самим буксир был бы излишен , внешние потребители столкнутся с санкционными рисками и не будут с этим связываться. У самих США слишком развитое лобби по космической тематике, чтобы туда влез кто то с подобными решениями . В общем скорее всего будет все ползти на пузе как мы наблюдаем сейчас или медленнее.
    1. Вадим237
      Вадим237 24 августа 2020 20:31 Новый
      +2
      На наш космос не особо санкции США вводили да и вообще кто либо. И не взирая на появление аналога РД 180 - ЖРД BE 4, США как закупали первый так и будут его дальше закупать, так как он надёжный и проверенный, а также покупать места на Союзах считаю и ЯЭРДУ в составе космического буксира для различных международных исследовательских миссий будет востребована и на перспективу начнут появляться новые установки, в составе плазменных двигателей, мощностью 10, 100, 500 МВт и даже 1 ГВт для межпланетных полётов и за пределы Солнечной системы.
      1. Knell Wardenheart
        Knell Wardenheart 24 августа 2020 20:44 Новый
        +4
        Ну знаете теория вс реальность довольно заметно различаются. В теории можно было Лунную базу замутить хоть в конце 60-начале 70х , на практике на Луну уже не летали больше 40 лет . Примеров подобного плана масса - но объединяет их два важных момент - экономика и целесообразность.
        Экономически подобное изделие не было бы нужно исключительно нашему космосу -мы как показала практика более чем удовлетворялись советским заделом . То чем занимается наш космос не выходит дальше орбиты большей частью уже довольно давно и прочно . Соответственно подобное изделие заинтересовало бы нас в бОльшей мере (и с точки зрения окупаемости) как элемент какой то международной кооперации. Которая видится мне весьма туманной - нет, если бы у нас УЖЕ вот сегодня например был бы буксир этот - наверняка заключили бы какие то договора и все было бы тип-топ. Но по факту нужно как то форсировать это направление -а кредитов нам на западе не дадут ,и соответственно без них у наших менеджеров не будет уверенности и в профите от создания целого изделия. Будут тянуть резину ,что мы и наблюдаем.
        Понимаете ,еще проблема в том,что ТЭМ предполагает полноценный ядерный реактор на борту - который нужно будет вывести на орбиту, загрузить там итд..без заинтересованности запада в этом проекте - они будут его саботировать,в том числе и через этот вопросик. Объявят что мы делаем подвижки по милитаризации космоса ,к примеру. Крику будет прилично - это еще больше загубит нам вопрос загрузки проекта и инвестирования.Так что это еще и политический вопрос,насколько мне кажется. Пока у нас не нормализовались отношения с западом ИЛИ пока у нас не вырастет собственная хотелка на какие то дальние косм. миссии - с Европой ли, с Китаем ли, да хоть с Индией - ситуация не будет двигаться с высокой долей вероятности.
        1. Кот_Кузя
          Кот_Кузя 25 августа 2020 06:59 Новый
          0
          На Луну не летают по той простой причине, что американцы и не высаживались на Луну, все эти "Аполлоны" просто пролетали вокруг Луны и возвращались обратно, не совершая высадки на нее. На Земле для запуска ракеты в космос, строят огромные и крайне дорогие космодромы, но строят, так как без них просто не запустишь ракету в космос. А тут нам впаривают, что якобы американцы прилунились, погуляли по Луне и взлетели обратно, как будто ехали по загородной трассе, решили остановиться поразмять ноги, и дальше поехали. К тому же даже сейчас запуск ракет даже на ближнюю орбиту дело рискованное, очень часто происходят аварии, и запуск срывается. А тут 7 раз слетали на Луну, и ничего, никаких накладок не было, как будто полет на Луну такое же обычное дело, как долететь на самолете из Европы до Австралии и вернуться обратно. Конечно, для правдоподобия, одну миссию сделали с накладкой, якобы произошла неисправность, и потому бравые астронавты вернулись домой, не высадившись на Луну, но при этом все вернулись живыми и здоровыми. Хэппи энд, как любят американские обыватели.
        2. Вадим237
          Вадим237 25 августа 2020 17:12 Новый
          -1
          В теории можно было Лунную базу замутить хоть в конце 60-начале 70х тогда пилотируемый космос только начинался - понятное дело что тогда это было сверхдорогим удовольствием это сейчас цены начали падать благодаря тем же частным конторам да и техпроцесс получения компонентов в изготовлении значительно упростился в виду получения и применения новых технологий и материалов.
        3. SovAr238A
          SovAr238A 27 августа 2020 20:54 Новый
          -1
          Цитата: Knell Wardenheart
          Ну знаете теория вс реальность довольно заметно различаются. В теории можно было Лунную базу замутить хоть в конце 60-начале 70х , на практике на Луну уже не летали больше 40 лет . Примеров подобного плана масса - но объединяет их два важных момент - экономика и целесообразность.
          Экономически подобное изделие не было бы нужно исключительно нашему космосу -мы как показала практика более чем удовлетворялись советским заделом . То чем занимается наш космос не выходит дальше орбиты большей частью уже довольно давно и прочно . Соответственно подобное изделие заинтересовало бы нас в бОльшей мере (и с точки зрения окупаемости) как элемент какой то международной кооперации. Которая видится мне весьма туманной - нет, если бы у нас УЖЕ вот сегодня например был бы буксир этот - наверняка заключили бы какие то договора и все было бы тип-топ. Но по факту нужно как то форсировать это направление -а кредитов нам на западе не дадут ,и соответственно без них у наших менеджеров не будет уверенности и в профите от создания целого изделия. Будут тянуть резину ,что мы и наблюдаем.
          Понимаете ,еще проблема в том,что ТЭМ предполагает полноценный ядерный реактор на борту - который нужно будет вывести на орбиту, загрузить там итд..без заинтересованности запада в этом проекте - они будут его саботировать,в том числе и через этот вопросик. Объявят что мы делаем подвижки по милитаризации космоса ,к примеру. Крику будет прилично - это еще больше загубит нам вопрос загрузки проекта и инвестирования.Так что это еще и политический вопрос,насколько мне кажется. Пока у нас не нормализовались отношения с западом ИЛИ пока у нас не вырастет собственная хотелка на какие то дальние косм. миссии - с Европой ли, с Китаем ли, да хоть с Индией - ситуация не будет двигаться с высокой долей вероятности.

          Расскажите нам, для чего нам нужен космический межпланетный буксир...
          1. Knell Wardenheart
            Knell Wardenheart 27 августа 2020 21:07 Новый
            0
            Не думаю что он нужен вам )
            1. SovAr238A
              SovAr238A 27 августа 2020 22:01 Новый
              -1
              Цитата: Knell Wardenheart
              Не думаю что он нужен вам )


              Глупая попытка слива...
              Абсолютно никчемная..
              Попытка перевести общение на личности.
              Ну ок.
              Буксир на ядерном ...
              Вам лично для чего?
              Или Роскосмосу конкретно для чего?
              Какие на него могут быть ФАКТИЧЕСКИЕ ПЛАНЫ на ближайшие 10 лет, глядя не тенденции развития космических программ Роскосмоса и остальных стран...
      2. military_cat
        military_cat 24 августа 2020 21:41 Новый
        -1
        Цитата: Вадим237
        На наш космос не особо санкции США вводили да и вообще кто либо. И не взирая на появление аналога РД 180 - ЖРД BE 4, США как закупали первый так и будут его дальше закупать, так как он надёжный и проверенный

        Реальность на самом деле выглядит как-то так:

        https://tass.ru/mezhdunarodnaya-panorama/6490551

        Сразу так сделать США не могли, но, тем не менее, это было неизбежно.
  3. Оператор
    Оператор 24 августа 2020 21:16 Новый
    -1
    Все перечисленное в статье - устарелый хлам: рулит российская батарейка из никеля 63 с удельной мощностью 4 ватт/кг и сроком энерговыделения 50 лет.
    1. garik77
      garik77 24 августа 2020 23:35 Новый
      +1
      Ни одна изотопная батарейка не способна по своим характеристикам соперничать с реакторами. Да и предназначение у них совсем разное.
      1. Оператор
        Оператор 25 августа 2020 00:37 Новый
        -1
        Удельная мощность ядерного реактора с высокообогащеным топливом (40% плутония) и турбогенераторным агрегатом на два порядка превышает подобный показатель бета-вольтаической батарейки на никеле 63.

        Но вот соотношение стоимостей, а также времен работы в автоматическом режиме у них прямо противоположное.
  4. garik77
    garik77 24 августа 2020 23:32 Новый
    +1
    К сожалению отсутствие духа конкуренции в космосе сильно тормозит развитие космонавтики, в том числе и создание ядерных двигателей и энергетических установок реакторного типа большой мощности.
    Китай хоть и идёт вперёд семимильными шагами, но пока он ещё не конкурент штатам, а Россия, увы, только "проектирует" из папье-маше. sad
    Думаю ещё лет 20-30 пройдёт и тогда не спешно, не торопясь, создадут рабочий маршевый ЯРД для разгонных ступеней в космосе. А там, глядишь к концу века может и термояд дожмут, тогда совсем хорошо будет, вся Солнечная система станет доступной и можно даже будет попробовать закинуть автоматические зонды к ближайшим звёздам за вменяемые сроки в 30-50 лет.
  5. Genry
    Genry 25 августа 2020 07:08 Новый
    -1
    Короче: статья о том, что американцы первые, а остальные в заднице (тихонечко так "просрали все полимеры"). Про то что позднее американцы использовали российские разработки - ни слова. Сейчас это вопрос престижа т.е. политический.

    На самом деле, в России уже утвердились в общей конструкции ядерного буксира. Есть проработки всех его компонентов.
    Осталось найти деньги и производственные мощности, поскольку сам буксир - это только кончик верхушки айсберга.
    Но главным остаётся вопрос: что и куда на нем возить.
  6. 501Legion
    501Legion 25 августа 2020 08:00 Новый
    +2
    компактные ядерные реакторы на "буревестнике" и "посейдон" е, как раз таки предвестники того что всё это скоро будет использоваться в космосе
    1. Split
      Split 25 августа 2020 15:05 Новый
      0
      На канале Конанихина довольно много видео по поводу разрабатываемого ядерного буксира https://www.youtube.com/watch?v=0xssjbBYni8&t=5s
  7. Митяй65
    Митяй65 25 августа 2020 10:39 Новый
    +3
    Как можно было такую шикарную и благодарную тему, как ЯЭ в космосе так убого подать? Какая-то дежурная статейка - "по публикациям в Сов. печати" - ужасно ... Комментировать совершенно нечего, написано заради занятия свободного места в интернете...
    Автор, надо, если уж взялся писать, хоть как-то проявлять старание... а лучше 100 раз подумать, стоит ли вам писать о космосе? stop
  8. ont65
    ont65 25 августа 2020 15:15 Новый
    0
    Обзор интересный, но некоторые выводы автора не соответствуют фактам. Принцип положенный в РД-0410 не изменился от того, что сам проект не получил развития. Он отличается от схемы реализуемой в последнем перспективном проекте транспортной системы качественно и количественно, поэтому не заменяет один другой. В лунном или марсианском орбитальном челноке РД-0410 вполне адекватно смотрится т.к. не имеет химического или ионного аналога с таким временем работы и мощности, да и рабочее тело для него проще искать на поверхности небесных тел. За его разработку брались примерно представляя нишу, которую ему предстояло заполнить. Пока её нет, в этом все дело.
  9. Рядовой СА
    Рядовой СА 26 августа 2020 00:56 Новый
    0
    Когда-то в павильоне "Космос" на ВДНХ спутник "Янтарь" на ионной тяге
    висел . Но тяги у него было ...
    Не верю пока ни в атомные , ни в термоядерные движки . Ракета или спутник-
    это не атомоход "Ленин" . Что-то для запитки бортовой сети из изотопных реакторов
    вполне получается , но как тяговый двигатель - пока не верю.