Хроники советских ядерных ракетных двигателей
За десятилетия до «Буревестника»
Сегодня ядерный двигатель по-прежнему воспринимается как нечто необычное и почти экзотическое. Если опираться на открытые сведения, то в серийном исполнении фактически фигурирует лишь одно российское изделие с ядерной энергетической установкой — стратегическая крылатая ракета «Буревестник». Однако в 1950-е годы подобные проекты не казались чем-то из ряда вон выходящим. На волне послевоенного научного оптимизма и успехов атомной физики многим инженерам представлялось, что создание ядерных двигателей — вопрос не принципиальной возможности, а ближайшего времени.
Идея использовать не химическую, а иную, гораздо более концентрированную атомную энергию для реактивного движения возникла задолго до появления реальных реакторов. Еще в конце 1920-х годов в Газодинамической лаборатории в Ленинграде Валентин Глушко проводил опыты с электрическим взрывом металлической проволоки. Его интересовала возможность получить тягу без традиционного окислителя. В экспериментах рассматривались легкие металлы, прежде всего литий.
Валентин Петрович Глушко
К 1933 году эти исследования привели к созданию небольшого электротермического двигателя. Принцип был прост: под действием электрического импульса рабочее вещество переходило в высокотемпературное состояние и выбрасывалось через сопло. Для своего времени это была по-настоящему прорывная идея, но ей не хватало главного — компактного источника энергии. Электрические генераторы были слишком тяжелыми, а значит, практического применения схема не имела.
В те же десятилетия Константин Циолковский высказывал мысль о возможности использовать внутреннюю энергию вещества для межпланетных перелетов. Позднее, уже после Второй мировой войны, когда атомные реакторы стали инженерной реальностью, эта мысль обрела конкретное содержание. Если реактор может нагреть рабочее тело до экстремальных температур, то теоретически он способен заменить химическую камеру сгорания и обеспечить гораздо более высокий удельный импульс.
Принципиальное преимущество было очевидно: химической ракете нужны и горючее, и окислитель, а ядерной — только рабочее тело, чаще всего водород. Это резко улучшало энергетический баланс. Для сравнения: лучшие кислородно-водородные химические двигатели выходили на удельный импульс порядка 430–450 секунд, тогда как твердофазные ядерные схемы обещали 800–900 секунд, а газофазные — до 1500–2000 секунд.
Американский реактор Kiwi, построенный в рамках проекта Rover. 1960 год
США первыми развернули масштабные практические исследования. В 1955 году стартовала программа Rover, ориентированная прежде всего на ядерные ракетные двигатели для космических задач, а проект Pluto касался прямоточного атомного двигателя для сверхдальней крылатой ракеты SLAM. На полигоне Jackass Flats в Неваде началась подготовка к огневым испытаниям реакторов Kiwi. Позже американцы довели дело до двигателей серии NERVA и в 1969 году получили на стенде тягу порядка 25 тонн при времени работы свыше десяти минут — это был один из наиболее впечатляющих результатов в мировой истории ядерной ракетной техники.
В СССР сигнал к аналогичным исследованиям был дан еще в 1953 году, когда Мстиславу Келдышу поручили изучить возможность применения атомной энергии в прямоточных системах. В НИИ-1 была создана группа под руководством Виталия Иевлева. Вскоре стало ясно, что речь идет не о частной разработке, а о целом новом направлении науки и техники.
Виталий Михайлович Иевлев
22 ноября 1956 года вышло секретное постановление Совета Министров СССР и ЦК КПСС № 1529-769 «О разработке баллистических ракет с атомным двигателем». Главным конструктором ракеты назначили Сергея Королёва, за двигатель отвечал Валентин Глушко и ОКБ-456, за реакторную часть — Александр Лейпунский и Физико-энергетический институт в Обнинске. В работах участвовали также Институт атомной энергии имени Курчатова, ЦИАМ, ЦАГИ, ВИАМ, НИИ-9 и десятки производственных предприятий.
Три схемы, три уровня сложности
К концу 1950-х сформировались три основные концепции.
Тип «А» — твердофазный двигатель. Реактор нагревает водород, тот расширяется и выбрасывается через сопло. Эта схема считалась наиболее реалистичной, и именно по ней позднее работали и советские, и американские конструкторы.
Тип «Б» — гибридная схема, где после реакторного нагрева рабочее тело дополнительно разгонялось или дожигалось в камере. Теоретически это давало выигрыш по тяге, но усложняло систему.
Тип «В» — газофазный реактор, в котором уже само ядерное топливо находилось в газообразном или плазменном состоянии. Такая схема сулила рекордные характеристики, но была чрезвычайно сложна: требовалось удерживать раскаленную делящуюся среду, не допуская разрушения конструкции и выброса топлива.
Параллельно изучался и более радикальный вариант — прямоточный ядерный воздушно-реактивный двигатель. В нем атмосферный воздух проходил через активную зону реактора и нагревался без обычного горения. Но эта схема почти сразу уперлась в фундаментальную проблему: проходящий через активную зону воздух сам становился радиоактивным. Практическое применение подобного двигателя в атмосфере выглядело крайне опасным.
30 июня 1958 года постановлением № 711-339 программа получила новый масштаб. Теперь речь шла не только о военном применении, но и о тяжелых космических носителях с ядерными ступенями. Королёв рассматривал такие системы как средство для дальних экспедиций к Луне, Венере и Марсу. В ОКБ-1 создали специальное подразделение под руководством Михаила Мельникова, занимавшееся ядерными и электрореактивными установками.
К концу 1959 года был готов эскизный проект ракеты, в которой центральный блок с реактором должен был включаться после вывода системы в верхние слои атмосферы. Это важная деталь: уже тогда понимали, что запуск полноценного ядерного двигателя у самой поверхности Земли чрезвычайно рискован. В ряде проектов предполагалось, что химические ступени выводят аппарат на безопасную траекторию, и только затем включается ядерная установка.
Постепенно в ОКБ-1 вызрела еще одна идея — использовать реактор не для непосредственного нагрева рабочего тела, а как источник электричества. В этом случае он питал бы ионные или плазменные двигатели. Такой подход давал меньшую тягу, но гораздо более высокий удельный импульс и лучше подходил для длительных космических перелетов. По существу, именно здесь закладывались основы советской космической ядерной энергетики. 23 июня 1960 года новое постановление № 715-296 закрепило курс на создание мощных носителей и космических аппаратов с ядерными ступенями. В программу включили 74 организации, а затем их число превысило сотню. Это был проект союзного масштаба.
РД-0410 стал единственным изготовленным в металле отечественным ядерным ракетным двигателем
Главные трудности были не только в физике реактора, но и в материалах. Активная зона и каналы подвода рабочего тела должны были выдерживать температуры 2500–3000 °C, резкие тепловые нагрузки, вибрации и нейтронное облучение. Для этого исследовались молибден, ниобий, графит, бериллий, карбиды урана и циркония, а также высокотемпературные керамики. Отдельной проблемой было растрескивание тепловыделяющих элементов при многократных пусках.
Не менее тяжелой задачей была биологическая защита. В ранних расчетах масса реактора с защитой могла доходить до 20 и более тонн. Для пилотируемых миссий это было особенно критично: требовалось экранировать экипаж от нейтронного и гамма-излучения, но при этом не сделать корабль неподъемно тяжелым. Отсюда возникали компоновочные решения с длинными фермами, где реактор выносился как можно дальше от жилых отсеков.
Для отработки темы на Семипалатинском полигоне создавался специальный комплекс «Байкал». Предполагалось проводить стендовые испытания реакторных узлов и связанных с ними энергетических систем. Однако даже подготовка испытательной базы оказалась колоссально сложной. Не хватало электромагнитных насосов для жидкометаллических контуров, не были налажены технологии чистых тугоплавких металлов, а промышленность и без того была перегружена срочными оборонными программами.
Советские проекты и реальные результаты
В конце 1950-х — начале 1960-х в ОКБ-456 разрабатывался ряд опытных двигателей: РД-401, РД-402, РД-404, РД-405. Они отличались типом замедлителя, рабочим телом и компоновкой активной зоны. Параллельно велись расчеты по более сложным системам, включая газофазный РД-600 на водороде с добавлением лития. Это был уже почти предельный по сложности проект: с магнитным удержанием, циркуляцией ядерного топлива и крайне напряженным тепловым режимом.
Но к 1962 году стало ясно, что программа расползается. Множество организаций дублировали друг друга, часть работ отставала, а некоторые направления были слишком далеки от практического результата. Василий Мишин провел ревизию всей кооперации и предложил сократить лишних исполнителей, сосредоточив ресурсы на ключевых задачах.
Дополнительным ударом стал Карибский кризис. Военно-политическая обстановка требовала быстрых и серийных решений. Химические межконтинентальные ракеты можно было доводить и ставить на дежурство уже сейчас, тогда как ядерные двигатели оставались делом неопределенного будущего. Именно в этот момент программа фактически утратила прежний приоритет.
Тем не менее она не пропала бесследно. Наоборот, именно из нее выросли многие реальные достижения в электрореактивной технике. В 1960-х в СССР активно развивались ионные и плазменные двигатели, а затем на их основе были созданы системы ориентации и коррекции для космических аппаратов. Позднее советская школа стала одной из сильнейших в мире в области стационарных плазменных двигателей, известных сегодня по серии СПД, которые получили широкое применение на спутниках.
Главным практическим итогом всей советской программы по созданию ядерных ракетных двигателей стал РД-0410. Именно он оказался тем проектом, где идея атомной тяги приобрела законченный инженерный вид. Это был твердоядерный ракетный двигатель: в его активной зоне располагался компактный реактор, который нагревал жидкий водород до экстремально высоких температур, после чего раскаленный газ выбрасывался через сопло и создавал тягу.
Конструкторы создали компактный реактор, способный устойчиво работать в условиях мощнейших тепловых потоков, подобрали материалы, выдерживающие одновременно высокую температуру, вибрации и нейтронное облучение, а также обеспечили надежную подачу водорода через активную зону без разрушения ее конструкции. Не менее сложной была и проблема безопасности: испытания подобного двигателя требовали специальной инфраструктуры и исключительной осторожности. Но РД-0410 так и остался лишь эпизодом советской технической истории.
Почему ядерная ракета не взлетела
Причины были системными.
Во-первых, сложность. Ядерный двигатель оказался не просто новым изделием, узлом, который требовал революции сразу в реакторостроении, материаловедении, системах охлаждения, радиационной защите и наземной инфраструктуре.
Во-вторых, опасность. Любая авария на старте или при стендовых испытаниях грозила радиоактивным загрязнением. Даже если двигатель включался уже в космосе, сам вывод реактора на орбиту оставался чувствительной задачей.
В-третьих, экономика. Химические двигатели проигрывали по теоретической эффективности, но выигрывали по цене, серийности и технологической готовности. Для военных это было решающим аргументом.
В-четвертых, изменение приоритетов. После лунной гонки и смещения интереса от сверхдорогих межпланетных программ к более прикладным задачам политическая поддержка ядерной космической тяги ослабла.
Хотя ядерный ракетный двигатель не стал серийной реальностью, программа оставила большое наследие. Она ускорила развитие электрореактивных двигателей, дала импульс новым материалам и технологиям сварки тугоплавких металлов, укрепила кооперацию между атомной отраслью и ракетно-космическими КБ.
Кроме того, она создала интеллектуальный задел для более поздних советских и российских космических энергоустановок. Уже в 1970–1980-х годах СССР вывел в космос реакторные энергетические системы серии «Бук» и «Топаз», использовавшиеся на спутниках радиолокационной разведки. Это были не ядерные ракетные двигатели в прямом смысле, но именно они показали, что компактная космическая ядерная энергетика из области теории перешла в практику.
Сегодня, когда человечество вновь задумывается о пилотируемых полетах к Марсу и дальше, идея ядерного ракетного двигателя переживает ренессанс. И примечательно, что современные проекты — и российские, и зарубежные — во многом опираются на тот самый задел, который был создан в секретных КБ и НИИ шесть десятилетий назад. История, едва не ставшая тупиковой ветвью технического прогресса, превратилась в один из краеугольных камней космонавтики будущего. А это, пожалуй, лучшая награда для тех, кто когда-то — в эпоху великих надежд и суровых реалий холодной войны — поверил, что атом способен не только разрушать, но и нести человечество к звездам.
Информация