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.
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.