Ядерный двигатель для военного космоса

За последнее десятилетие космос превратился в место жёсткого противостояния ведущих держав мира. Это связано со значительной ролью, которую играют военные спутники в современной войне. На космические аппараты возлагается ведение разведки, организация связи и управления войсками, определение координат своих сил и сил противника, а также противодействие спутникам враждебных государств.

Главная проблема, которая уже многие годы стоит перед разработчиками космической техники, - ограниченный запас топлива. Чем больше топлива на спутнике, тем продолжительнее может быть полёт и тем проще изменять его орбиту или маневрировать, уклоняясь от противоспутниковых средств враждебной страны. Кроме того, способность маневрировать важна для проведения инспекции чужих космических аппаратов, а если потребуется, то и для вывода их из строя.

60-е годы: США и СССР разрабатывают первые космические аппараты с ядерной энергетической установкой

На современных спутниках военного назначения находится значительное количество сложной аппаратуры. Для её нормальной работы необходим большой объём электроэнергии. Мощности солнечных батарей уже давно не хватает и, начиная с середины 60-х гг. ХХ века, в дополнение к ним стали использовать ядерные технологии.

Первоначально применялись радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ). Они используют естественный процесс радиоактивного распада радиоизотопов. РИТЭГ имеют относительно простую конструкцию и могут эксплуатироваться без обслуживания продолжительное время. Но радиоизотопные термоэлектрогенераторы отличаются двумя серьёзными недостатками - низкой мощностью и невысоким КПД. Поэтому чаще всего их применяют в дополнение к солнечным батареям. В частности, РИТЭГ установлен на марсоходе Curiosity (в переводе на русский - «Любопытство» или «Любознательность»).

Для получения большей мощности используют компактные ядерные реакторы. Впервые космический аппарат с ядерной энергетической установкой на борту был запущен в США в апреле 1965 г. Реактор работал на уране-235 и получил название SNAP-10A. Он предназначался для обеспечения электроэнергией экспериментальных импульсных ионных двигателей.

Через полтора месяца американский спутник вышел из строя, после чего аппарат перевели на орбиту захоронения со временем схода на Землю 4 тысячи лет. Но уже в 1979 г. спутник по неизвестным причинам стал разваливаться, образовав 50 различных обломков. Осознав сложность создания космических аппаратов с атомными реакторами на борту, NASA прекратило работы по этой тематике. Причина крылась и в банальной нехватке денежных средств, которые в то время требовались для ведения войны во Вьетнаме.

В 1964-1965 гг. в Курчатовском центре был разработан первый советский опытный ядерный реактор «Ромашка». С учётом полученного опыта вскоре была создана ядерная энергетическая установка БЭС-5 «Бук». В её основе лежал реактор на быстрых нейтронах. Как и американский, отечественный реактор работал на уране-235. Ядерная энергетическая установка монтировалась на космические аппараты под названием «Космос» серии УС-А («Управляемый Спутник-Активный»), запускаемых по программе «Легенда». Это была система предназначенная для глобальной спутниковой морской космической разведки и целеуказания (МКРЦ) силам и средствам ВМФ СССР. В реальном времени она наводила противокорабельные крылатые ракеты на морские цели противника. По мнению президента США Рейгана, система «Легенда» представляла собой большую угрозу для американского флота.

Первый запуск космического аппарата «Космос-367» состоялся в октябре 1970 г. БЭС-5 «Бук» проработал около двух часов и затем вышел из строя. После доработок была осуществлена серия успешных пусков советских космических аппаратов с ядерными энергетическими установками на борту. Всего был произведён 31 запуск. Но были и неудачи.

Пуски, состоявшиеся в октябре 1969 г., в апреле 1973 г., в сентябре 1977 г., в феврале 1983 г. и некоторые другие, оказались неудачными. Много шума в то время наделал космический аппарат «Космос-954». В январе 1978 г. он сгорел над безлюдным районом Канады. К счастью, топливо из реактора и его обломки вызвали некритичное загрязнение местности общей площадью до 100 тысяч квадратных километров. Тогда СССР выплатил Канаде компенсацию в несколько миллионов долларов за причинённый экологический ущерб.

90-е годы: США купили у распавшегося СССР «Топаз-2», но ничего с ним поделать не смогли

Запуски советских космических аппаратов с ядерными силовыми установками на борту были возобновлены только через несколько лет. На усовершенствованных спутниках предусмотрели аварийную систему увода реактора на орбиту захоронения. После завершения срока работы аппарата, а в то время это было 120 дней, спутник разделялся на две части. Реактор оставался на орбите высотой 750-1000 км. Расчёты показывали, что в атмосферу Земли он войдёт через 250 лет, когда произойдёт распад наиболее опасных радиоактивных элементов. Кроме того, была создана дублирующая система безопасности. В случае неконтролируемого входа космического аппарата в плотные слои атмосферы топливные элементы автоматически выбрасывались из корпуса реактора, после чего они сгорали в плотных слоях атмосферы. Несмотря на то, что это приводило к загрязнению верхних слоёв атмосферы, уровень радиации считался допустимым. В 1988 г. в связи с изменением военно-политической обстановки в мире и политики уступок СССР Западу запуски советских космических аппаратов с ядерными реакторами на борту под давлением Вашингтона на некоторое время были прекращены.

После распада Советского Союза американцы в 1992 г. купили у России технологию создания космической ядерной энергетической установки под названием «Топаз». Кроме того, они приобрели две термоэмиссионные ядерные энергетические установки «Топаз-2» («Енисей»), которые были способны генерировать рекордную в те времена электрическую мощность до 10 кВт. Изучив советские разработки, в NASA приняли решение заморозить свои работы в этой области. Вероятнее всего, сказалось технологическое превосходство СССР, которое в США не смогли повторить.

XXI век: США закручивают ядерные гайки

На сегодняшний день Пентагон активно занимается размещением новейших боевых и разведывательных систем в космосе. В Вашингтоне считают, что это позволит быстро обнаруживать и сопровождать боевые блоки гиперзвуковых ракет, а затем успешно поражать их с помощью новейших противоракет и оружия на новых физических принципах. С этой целью в конце 2019 г. Пентагон создал Космические силы, командование которых рассматривает космос как сферу ведения военных действий, а космические аппараты - как средство вооружённой борьбы.

По инициативе командования Космических сил Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA) решило вернуться к идее использования ядерных реакторов на космических аппаратах. По замыслу Пентагона они должны применяться не только для обеспечения спутников достаточным количеством электроэнергии, но в первую очередь стать основой для двигательной установки новейшего типа.

Командование Космических сил США считает, что ядерные двигательные установки должны сделать спутники более манёвренными, а значит менее уязвимыми для возможных атак в космосе. На разработку новейшего спутникового двигателя DARPA выделило 30 миллионов долларов.

Деньги были направлены на реализацию гражданского проекта NASA под названием «Демонстрационная ракета для гибких операций в пределах орбиты Луны» (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations, DRACO). В основе перспективного американского спутника лежит ядерная тепловая двигательная установка, которая в два раза эффективнее существующих двигателей, работающих на химическом топливе. С её помощью NASA планирует приступить к освоению Луны.

Используемые в настоящее время в космических аппаратах двигатели не позволяют быстро долететь до ближайшего спутника Земли и планет Солнечной системы. А необходимость в этом становится всё острее и острее. В частности, на Луне находятся значительные запасы трития, который можно применять в качестве топлива в реакторах управляемого термоядерного синтеза. На сегодняшний день добыча трития и его доставка на Землю считаются нереализуемой задачей.

Плюсы и минусы ядерного реактора

Разработкой функционирующего на низкообогащённом уране ядерного реактора для двигательной установки спутника DRACO занимается компания General Atomics. Она смога выиграть контракт DARPA на 22 миллиона долларов. Проектирование космического корабля осуществляют компании Lockheed Martin и Blue Origin. Запуск демонстрационного аппарата намечен на 2025 г. Спутник будет направлен в окололунное пространство, находящееся над околоземной орбитой. Это делается в целях обеспечения безопасности и недопущения непредвиденного схода спутника DRACO в земную атмосферу.

В Пентагоне полагают, что в случае успеха проекта DRACO ядерную тепловую двигательную установку можно будет устанавливать на спутники военного назначения. Космические аппараты с ядерными двигателями многие годы смогут работать в космосе без необходимости экономить или пополнять топливо. По мнению американских специалистов, космические аппараты с ядерными двигателями следует использовать в космических системах предупреждения о ракетном нападении и в спутниках GPS. Это позволит американским космическим аппаратам легко маневрировать, уклоняясь от противоспутникового оружия или другой опасности.

Реализовать задуманное Пентагону будет непросто из-за сложности конструкции ядерной двигательной установки. Для этого на борт космического аппарата необходимо поместить реакторную установку с рабочим телом и вспомогательными устройствами, электроракетную двигательную установку и холодильник-излучатель.

Реактор вырабатывает тепло, которое нагревает теплоноситель в виде газовой смеси, например гелий-ксеноновой. Теплоноситель расширяется и вращает турбину. С её валом связан электрический генератор и компрессор, поддерживающий давление в замкнутом контуре теплоносителя. Вырабатываемая генератором электроэнергия направляется для работы плазменного (ионного) двигателя. Процессы, происходящие в ионном двигателе, чем-то напоминают работу электронно-лучевой трубки в старых телевизорах.

В условиях вакуума в газоразрядной камере размещены два типа электродов - аноды и катодный блок. Внутрь подаётся рабочее тело в виде инертного газа, например ксенона. На анод и катод поступает напряжение с большой разницей электрических потенциалов. В результате возникают разряды тока, которые ионизируют рабочее тело. Образовавшиеся при этом ионы в промежутке между эмиссионным и ускоряющим электродом за счёт мощного электромагнитного поля и вакуума быстро разгоняются, толкая космический аппарат в противоположную сторону. По сути, поток заряженных частиц, исходящих из плазменного двигателя, выполняет функцию реактивной струи. Под действием электромагнитного поля ионы могут развивать скорость до 200 км/с, тогда как у химических двигателей этот показатель не превышает 3-4,5 км/с.

Большую проблему представляет избыточное тепло, образующееся в ядерном реакторе. Казалось бы, что при абсолютном нуле в космосе проблемы в охлаждении нет. Но в условиях вакуума нет частиц воздуха, которые нагреваются от горячего тела и тем самым охлаждают его. В вакууме тепло просто нечему передать. Поэтому в реакторе предусмотрен второй контур, из которого избыточное тепло с помощью холодильников-излучателей сбрасывается в космос.

Ядерный «Зевс» России

Кроме США интенсивные работы по созданию ядерного ракетного двигателя ведёт Китай. Разработкой занимается Китайская корпорация аэрокосмической науки и техники (China Aerospace Science and Technology Corporation, CASC). Она планирует создать к 2045 г. многоразовый космический корабль, оснащённый ядерным ракетным двигателем.

В середине января этого года Институт Митчелла Ассоциации военно-воздушных сил США подготовил доклад, в котором отмечается, что «силы космической манёвренной войны Китая будут включать в себя транспортные средства с ядерными тепловыми и электрическими двигателями, способные быстро перемещаться между орбитами для выполнения наступательных и оборонительных задач».

Россия, со своей стороны, также занимается разработкой ядерной энергодвигательной установки. Роскосмос планирует запустить с космодрома Восточный в 2030 г. космический буксир «Зевс». В США уже говорят, что благодаря большой мощности ядерного реактора на борту военный аналог «Зевса» сможет с помощью электромагнитного импульса выводить из строя космические аппараты, станции и корабли противника или подсвечивать лазерным лучом боевые блоки баллистических и гиперзвуковых ракет. На самом деле Роскосмос планирует, что корабль будет выполнять функцию схожую с паромом. Он будет доставлять грузы с Земной орбиты на орбиту Луны или Марса и обратно, а также обеспечивать связь, ретрансляцию, теле- и радиовещание вокруг Земли.