П.3.1. Применение ядерных фотонных ракет

Главная цель полетов в дальний космос может состоять в изучении структуры отдаленных объектов солнечной системы: пояса Купера, гелиосферы, гравитационной солнечной линзы, а также в исследовании дальних границ солнечной системы, межзвездной среды и т.д. Для выполнения таких миссий необходимы космические аппараты, способные удалиться от Земли на расстояния от 100 до 10000 астрономических единиц (а.е.) и далее.

На фоне различных предлагаемых экзотических концепций, подходы, основанные на использовании в космосе энергии деления ядер, представляются вполне обоснованными и перспективными, так как, во-первых, энергетический выход этой реакции является наивысшим среди всех известных на сегодня ядерных реакций; во-вторых, ядерные технологии в настоящее время достаточно хорошо освоены, в том числе и в космических применениях.

В 1998 году в проф. В.Я. Пупко с соавторами была предложена концепция фотонной ракеты на основе ядерного реактора и была показана эффективность использования такой системы для полета к планете Плутон [70]. В основу рассматриваемой концепции космической двигательной системы положена идея преобразования тепловой энергии ядерного реактора в энергию направленного потока электромагнитного излучения. Предполагается, что такое преобразование может быть осуществлено с помощью секций излучателя, выполненных в виде параболических зеркал. При этом в первом варианте конструкции тепловая энергия от реактора может доставляться в фокус такого зеркала с помощью системы тепловых труб, а в другом варианте компактный высокотемпературный ядерный реактор может прямо размещаться в фокусе гигантского зеркала, а охлаждение реактора осуществляется излучением. Заметим, что фотонный пучок, отраженный от поверхности параболического зеркала, становится практически параллельным, рис.16.

Рис.16. Схема ракеты на основе ЯФД: 1 – реактор; 2 – коллектор тепла; 3 – параболическое зеркало; 4 – направленное излучение

Ядерный фотонный двигатель (ЯФД) имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными двигателями:

· максимально возможный удельный импульс ~3×10⁷ с, так как по сути дела рабочим телом в данном случае являются фотоны;

· высокая эффективность преобразования энергии деления в энергию направленного фотонного пучка;

· не требуется наличие мощных источников электроэнергии на борту КА;

· для создания фотонной тяги используется «бросовое» тепло реактора.

Основным недостатком ЯФД является его относительно малая тяга вследствие малого импульса, который уносят с собой фотоны. Другим недостатком является необходимость высоких температур в реакторе и на коллекторе теплоты. Следовательно, в конструкции необходимо применять высокотемпературные материалы.

Оценим, какие космические миссии возможны для ракеты с ядерным фотонным двигателем [71].

Для полета к ближайшей звезде, находящейся от Солнца на расстоянии ~ 4.2 световых года, за время жизни одного поколения людей необходимо обеспечить ракете скорость, равную одной десятой скорости света (с). Это потребует ~10⁴⁵ т ядерного горючего. Таким образом, предлагаемый способ полета на ракете с ЯФД к ближайшей звезде за время ~ 50 лет в принципе невозможен! Аналогичные оценки показывают, что для достижения скорости ракеты ~0.01c потребуется ~ 300000 т горючего, что также нереально для современного уровня развития ядерных технологий.

Для достижения скоростей 1000 и 300 км/с (0.0033с и 0.001с) потребуется ~ 300 и 18 т ядерного горючего соответственно. Последние цифры представляются уже вполне разумными с современной технической точки зрения. Отметим, что при скоростях КА ~ 100-200 а.е./год возможно достижение космических объектов, находящихся от Солнца на расстоянии ~ 1000 – 5000 а.е., так как время полета до них составляет ~ 20 – 50 лет.

Расчеты показывают, что до пояса Купера (расстояние от Солнца ~ 50 – 100 а.е.) можно долететь за времена ~ 20 – 25 лет. При стартовой массе КА в 10 т и мощности энергоустановки N=100 МВт тепловых потребуется ~ 5 т ядерного горючего.

Полет на расстояние ~ 1000 а.е. в течении 25 лет также возможен. Таким требованиям удовлетворяет, например, ракета с начальной массой в 20 т (16 т ядерного горючего) с ядерной энергетической установкой мощностью 2000 МВт. Отметим, что такие параметры близки к параметрам ядерной установки на основе реактора NERVA.

Еще более далекие космические миссии потребуют использования установок с существенно большими массогабаритными характеристиками. При этом полеты на расстояния ~ 5000 – 10000 а.е. могут быть осуществлены за времена ~ 50 – 80 лет.

Рассмотрим некоторые аспекты создания высокотемпературного источника тепла – ядерного реактора. Требования к такому реактору достаточно жесткие. Он должен обеспечивать работоспособность установки на протяжении нескольких десятков лет для мощностей порядка нескольких сотен мегаватт при максимальной температуре установки.

Перспективным вариантом является использование реактора с газофазной активной зоной, содержащей гексафторид урана. Несмотря на высокое давление (2-2.5 МПа) эта установка обладает достаточно большим размером. Здесь отсутствуют проблемы с поддержанием критичности, т.к. она обеспечивается циркуляцией топлива.

Можно предложить также второй вариант установки с псевдосжиженной активной зоной. Ядерная высокотемпературная установка, предназначенная для использования в качестве источника теплового излучения, в этом случае состоит из реакторного блока и источника теплового излучения (излучателя). Топливо в активной зоне представлено, например, в виде крошки. Топливная засыпка удерживается в активной зоне вихревым потоком газа, который используется как теплоноситель и как рабочее тело в турбокомпрессорном агрегате. Рабочее тело – смесь гелия и ксенона. Энергия, выделяемая в топливе, передается газу и выносится из активной зоны в высокотемпературный излучатель. Оценки показывают, что масса реакторной установки с псевдосжиженной активной зоной будет равна ~ 10 т.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баранов Г.Д., Грязнов Г.М. и др. Радионуклидный термоэлектрогенератор мощностью 3,75 Вт для использования в космосе. Научный семинар Ядерного общества СССР «Автономные атомные энергоисточники малой мощности для децентрализованного теплоэлектроснабжения. Опыт разработки и перспективы применения». Сб. трудов. – 1991.

2. Leda-RP-95-02. Leda (Lunar European Demonstration Approach). Assessment Study. Final Report.

3. Pustovalov A., Polyakov V., Nikulichev V. Certification of Plutonium-238 Radionuclide Power Sources for «Mars-96» // International Mission Space Bulletin. – N4. – Vol. 2. – 1995.

4. Сообщение ТАСС, 18 ноября 1970 г.

5. Сообщение ТАСС, 8 января 1973 г.

6. Афанасьев Н.М., Баранов Г.Д. и др. РИТЭГ с ТЭП для космических объектов. «Космическая энергетика XXI века (Ядерный аспект)»: Международный семинар. Обнинск-Подольск, 1998 г.

7. Пупко В.Я. История работ по двигательным аппаратам на ядерной энергии для космических и авиационных установок. Изд.: ГНЦ РФ-ФЭИ. – Обнинск, 2002.

8. Миллионщиков М.Д. Гвердцители И.Г., Меркин В.Н. и др. Высокотемпературный реактор прямого преобразования «Ромашка» // Доклад № 873 на Третьей международной конференции по мирному использованию атомной энергии. – Женева, 1964.

9. Гвердцители И.Г., Кухаркин Н.Е., Пономарев-Степной Н.Н., Усов В.А. Основные результаты 15000-часовых испытаний высокотемпературного реактора-преобразователя «Ромашка» // Доклад на 4-й Межведомственной конференции по преобразованию энергии. – Вашингтон, США. – 1969.

10. Кузнецов В.А., Грязнов Г.М., Артюхов Г.Я. и др. Разработка и создание термоэмиссионной ЯЭУ «Топаз» // Атомная энергия. – 1974. – Т. 36. – Вып. 6.

11. Грязнов Г.М., Пупко В.Я. «ТОПАЗ-1 - советская космическая ЯЭУ // Природа. – №10. – 1991.

12. Машканцев А.П. Космический эксперимент с термоэмиссионной ЯЭУ «Топаз-1» // Новости космонавтики. –1999. –№ 6 (197).

13. Никитин В.П., Пономарев-Степной Н.Н., Николаев Ю.В. и др. Космическая ЯЭУ «Енисей». // Атомная энергия. – 2000, – Т. 88, – Вып. 6.

14. Васильковский В.С. Ядерная энергетика в космосе // Аэрокосмический курьер. – 2002. – № 4,5.

15. Грязнов Г.М., Николаев В.С., Сербин В.И., Тюгин В.М. Концепция радиационной безопасности космических ЯЭУ и ее реализация на спутнике «Космос-1900» // Атомная энергия. – 1989. – Т. 66. – Вып. 6.

16. Богуш И.П., Грязнов Г.М., Жаботинский Е.Е. и др. Космическая термоэмиссионная ЯЭУ по программе «Топаз». Принципы конструкции и режимы работы // Атомная энергия. – 1991. –Т. 70. – Вып. 4.

17. Шефтель Л.М. Система подачи пара цезия долгоресурсных термоэмиссионных ЯЭУ // Атомная энергия. – 991, –Т. 71, – Вып. 5.

18. Вольберг М.С., Грязнов Г.М., Жаботинский Е.Е и др. Основные принципы управления термоэмиссионной ЯЭУ «Топаз» на различных режимах // Атомная энергия. –1991. –Т. 71. – Вып. 6.

19. Грязнов Г.М., Богуш И.П., Жаботинский Е.Е. и др. Принципы создания, наземной отработки и летных испытаний ЯЭУ по программе «Топаз» // Международная конференция «Ядерная энергетика в космосе». Сб. трудов. – Обнинск, 1990.

20. Nickitin V. P., Ogloblin B. G., Luppov A. N. et al. «TOPAZ-2» Thermionic Space Nuclear Power System and the Perspectives of Its Development // Proc. 8th Symp. on Space Nuclear Power Systems, Part 2, Albuquerque NM, 1991.

21. Никитин В.П., Оглоблин Б.Г., Луппов А.Н. и др. Перспективы развития термоэмиссионных космических ЯЭУ на базе существующих одноэлементных ЭГК // Международная конференция «Ядерная энергетика в космосе». Сб. трудов. – Обнинск, 1990.

22. Ponomarev-Stepnoi N.N., Nickolaev Yu.V., Kucherov R.Ya. et al. Comparative Analysis of Concepts of Single-Cell and Multi-Cell TFE of Thermionic NPS // Proc. 10th Symp. on Space Nuclear Power Systems, Part 3, Albuquerque NM, 1993.

23. Schmidt G.L., Ogloblin B.G. et al. TOPAZ-2 Non-Nuclear Qualification Test Program // Proc. 11th Symp. on Space Nuclear Power Systems, Part 3, Albuquerque NM, 1994.

24. Nickitin V.P., Ogloblin B.G., Sinkevich V.G. Special Features and Results of the TOPAZ-2 Nuclear Power System Tests and with Electric Heating // 9th Symp. on Space Nuclear Power Systems, Part 1, Albuquerque NM, 1992.

25. Nickitin V.P., Ogloblin B.G., Luppov A.N. et al. Program on the TOPAZ-2 System Preparation for Flight Tests // Proc. 10-th Symp. on Space Nuclear Power Systems, part 2, Albuquerque NM, 1993.

26. Ponomarev-Stepnoi N.N., Nechaev Yu. A., Khazanovich I. M. et al. A Quantitative Assessement of Realiability of the TOPAZ-2 Space NSP Reactor Unit Based on Ground Development Results // Proc. 14th Symp. on Space Nuclear Power Systems, Part 3, Albuquerque NM, 1997.

27. Коротеев А.С., Гафаров А.А., Сметанников В.П., Колганов В.Д., Пономарев-Степной Н.Н., Усов В.А., Зродников А.В., Ионкин В.И., Федик И.И., Николаев Ю.В., Васильковский В.С., Андреев П.В., Рачук А.В., Белогуров А.И. Опыт создания и основные направления развития космической ядерной энергетики в России. Международная юбилейная научно-техническая конференция НИКИЭТ. Сб. трудов. – Москва, 2002.

28. Курчатов И.В., Доллежаль Н.А. и др. Импульсный графитовый реактор ИГР.// Атомная анергия. – 1964, –Т. 17, –Вып. 6.

29. Колганов В.Д., Сметанников В.П., Уласевич B.К. и др. Место реактора ИВГ-1 в перспективной программе создания ЯРД для марсианской экспедиции. - Третья отраслевая конференция «Ядерная энергетика в космосе. Ядерные ракетные двигатели». Сб. трудов. – Подольск, 1993.

30. Демянко Ю.Г., Конюхов Г.В., Коротеев А.С., Кузьмин Е.П., Павельев А.А. «Ядерные ракетные двигатели». Под редакцией академика А.С. Коротеева. – М.: 000 «Норма-Информ», 2001.

31. Дегтярева Л.А,, Захаркин И.И., Ионкин В.И., и др. Проблемы нейтронной физики и ядерной безопасности реактора ЯРД минимальных размеров. - Третья отраслевая конференция «Ядерная энергетика в космосе. Ядерные ракетные двигатели». Сб. трудов. – Подольск, 1993.

32. Беляков B.B., Горбатых А.И., Зеленский Д.И., и др. Физические исследования активных зон прототипов реакторов ЯРД на стендовом комплексе «Байкал-1». Третья отраслевая конференция «Ядерная энергетика в космосе. Ядерные ракетные двигатели». Сб. трудов. – Подольск, 1993.

33. Захаркин И.И., Ионкин В.И., Коновалов В.А., и др. Разработка ЯРД на основе реактора минимальных размеров ИРГИТ. Энергетические испытания опытного образца ядерного реактора. - Третья отраслевая конференция «Ядерная энергетика в космосе. Ядерные ракетные двигатели». Сб. трудов. – Подольск, 1993.

34. Постановление Правительства Российской Федерации от 2 февраля 1998г. N144 «О Концепции развития космической ядерной энергетики в России». Российская газета, 11 февраля 1998г., N26 (1886).

35. Кузин А.И., Павлов К.А., Зацерковный С.П., Шевцов Г.А. Этапы развития КА, реализующих высокоэнергетические орбиты в рамках существующей и разрабатываемой инфраструктуры средств выведения: Пятая международная конференция «Ядерная энергетика в космосе». Сб. трудов. – Подольск, 1999.

36. Акимов В.Н., Гафаров А.А., Коротеев А.С., Пришлецов А.Б. Ядерная энергетика в космонавтике XXI века // Общероссийский научно-технический журнал «Полет». – 2000. – № 10.

37. Андреев П.В., Галкин А.Я., Жаботинский Е.Е. и др. Термоэмиссионные ЯЭЭУ на тепловых нейтронах повышенной мощности и ресурса // Международная конференция «Ядерная энергетика в космосе». Сб. трудов. – Обнинск, 1990.

38. Андреев П.В., Грязнов Г.М., Жаботинский Е.Е. и др. Принципы построения и основные характеристики космических термоэмиссионных ЯЭУ с тепловым реактором длительного ресурса // Атомная энергия. – 1991. – Т. 70. – Вып.4.

39. Андреев П.В., Еремин А.Г., Жаботинский Е.Е., Основные положения космических термоэмиссионных ЯЭУ второго поколения в составе ТЭМ с учетом возможностей современных средств выведения // 5-ая международная конференция «Ядерная энергетика в космосе». Сб. трудов. – Подольск, 1999.

40. Андреев П.В., Богуш И.П., Зарицкий Г.А. Обоснование характеристик термоэмиссионных космических ЯЭУ второго поколения: проектные и экспериментальные результаты // 5-ая международная конференция «Ядерная энергетика в космосе». Сб. трудов. – Подольск, 1999

41. Грязнов Г.М., Жаботинский Е.Е., Зродников А.В. и др. Термоэмиссионные реакторы-преобразователи космических ЯЭУ // Атомная энергия. – 1989, – Т. 66. – Вып.6.

42. Андреев П.В., Галкин А.Я., Грязнов Г.М. и др. Использование термоэмиссионных ЯЭУ в составе космических энергодвигательных комплексов // Атомная энергия. –1993. –Т. 75. – Вып. 4.

43. Дубинин А.А., Левченко В.М., Пышко А.П. и др. Расчет, оптимизация и проектирование радиационной защиты ЯЭУ как подсистемы КА // VII Российская научная конференция «Защита от ионизирующих излучений ядерно-технических установок». Сб. трудов. – Обнинск, 1998.

44. Pupko V.Ya., Vizgalov A.V. at el. Fast Neutron Thermionic-Converters for High-Power Space Nuclear Systems. // 8th Symposium on Space Nuclear Power and Propulsion, Part. 3. – 1991.

45. Забудько А.Н., Ионкин В.И., Читайкин В.И. и др. Новые подходы к формированию облика перспективных космических ЯЭУ. Международная конференция «Атомная наука, радиоэкология и режим нераспространения в Казахстане». Сб. трудов. – Курчатов, Республика Казахстан, 2002.

46. Ионкин В.И., Иванов Е.А., Читайкин В.И. и др. Ядерно-энергетичекая установка с термоэлектрическим преобразованием энергии для космического аппарата радиолокационного наблюдения. Пятая Международная конференция «Ядерная энергетика в космосе». Сб. трудов. – Подольск, 1999.

47. Читайкин В.И., Ярыгин В.И., Мелета Е.А. и др. Термоэлектрический генератор ядерной энергетической установки для космических аппаратов с комбинированной системой преобразования энергии. Международный семинар «Космическая энергетика 21 века (Ядерный аспект)». Сб. трудов. – Обнинск-Подольск, 1998.

48. Марколия А.И., Судак Н.М., Сабо Е.П. и др. Создание и совершенствование модулей термоэлектрического генератора космической ЯЭУ. // Атомная энергия. – Т. 29. – Вып.1. – 2000.

49. Синявский В.В., Юдицкий В.Д. Двухрежимная космическая ядерно-энергетическая установка на основе объединения термоэмиссионного и термоэлектрического методов преобразования энергии. Международный семинар «Космическая энергетика 21 века (Ядерный аспект)». Сб. трудов. – Обнинск-Подольск, 1998.

50. Читайкин В.И., Овчаренко М.К., Ионкин В.И. и др. Комбинированная ядерно-энергетическая установка «ТЭМБР» с реактором-преобразователем на быстрых нейтронах. Пятая Международная Конференция «Ядерная энергетика в космосе». Сб. трудов. –Подольск , 1999

51. Ярыгин В.И., Ионкин В.И., Овчаренко М.К. и др. Космические термоэмиссионные ядерные энергетические установки нового поколения с вынесенными из активной зоны реактора электрогенерирующими системами. Второй Международный семинар по космической ядерной энергетике 21 века. Сб. трудов. – Обнинск, 2000.

52. Ярыгин В.И., Ионкин В.И., Купцов Г.А. и др. Космические термоэмиссионные ЯЭУ нового поколения с вынесенными из активной зоны реактора электрогенерирующими системами.// Атомная энергия. – Т.89. – Вып.1. – 2000.

53. Сухов Ю.И., Синявский В.В. Обзор работ РКК «Энергия» им. С.П. Королева по термоэмиссионным ядерным энергетическим установкам большой мощности космического назначения // Ракетно-космическая техника. –Сер. XII. –Вып. 3-4. Изд.: – РКК «Энергия». – 1995.

54. Баканов Ю.А., Семенов Ю.П., Синявский В.В. и др. О выборе типа, структуры и размерности источника электроэнергии для электроракетного транспортного аппарата.// Ракетно-космическая техника. –Сер.XII. –Вып. 2-3. Изд.: – РКК «Энергия». – 1996.

55. Баканов Ю.А., Синявский В.В., Юдицкий В.Д. О возможных областях применения космических термоэмиссионных ЯЭУ большой мощности // Ракетно-космическая техника. – Сер.XII. –Вып. 3-4. Изд.: – РКК «Энергия». –1995.

56. Агеев В.П., Быстров П.И., Синявский В.В. и др. Электроядерный буксир в программе перспективных задач освоения космоса // Проблемы авиации и космической техники. –N2. –1994.

57. Агеев В.П., Быстров П.И., Синявский В.В. и др. Энергодвигательный блок на основе термоэмиссионной двигательной установки для марсианского экспедиционного комплекса // Ракетно-космическая техника. –Вып. 1(134). – 1992.

58. Демянко Ю.Г., Конюхов Г.В., Коротеев А.С. и др. Ядерные ракетные двигатели. –М.: Норма-Информ, 2001.

59. Кузин А.И., Павлов К.А., Зацерковный С.П., Шевцов Г.А. Этапы развития КА, реализующих высокоэнергетические орбиты в рамках существующей и разрабатываемой инфраструктуры средств выведения // Пятая международная конференция «Ядерная энергетика в космосе». Сб. трудов. –Подольск, 1999. –С. 22 (англ.)

60. Баканов Ю.А., Синявский В.В., Юдицкий В.Д. О возможных областях применения космических термоэмиссионных ЯЭУ большой мощности // Научн.-техн. сб. ракетно-космической техники (РКТ). –Труды. Серия 12: Расчет, проектирование, конструирование и испытание космических систем // РКК"Энергия" им. С.П. Королева. Г. Калининград. Моск. обл. 1995. –Вып. 3-4: Космические термоэмиссионные ЯЭУ и ЭРДУ большой мощности. Ч.1.

61. Пупко В.Я., Ионкин В.И., Кутузов А.А. и др. О возможности космической изоляции особо опасных радиоактивных отходов атомной энергетики с применением ядерных электрореактивных двигателей. Первая Международная конференция «Ядерная энергетика в космосе».Сб. трудов. –Обнинск, 1990.

62. Быстров П.И., Масленников А.А., Пухов В.В. и др. Концепция очистки космоса от мелкого мусора космическим аппаратом с мощной ядерно-энергетической установкой и лазерной системой дистанционной передачи энергии // Труды первой международной авиакосмической конференции "ЧЕЛОВЕК-ЗЕМЛЯ-КОСМОС". –Т.1. –Москва, 1994.

63. Быстров П.И., Горшков Л.А., Зеленщиков Н.И. и др. О возможности использования термоэмиссионного реактора-преобразователя с ядерной накачкой лазерной системы применительно к очистке космоса от мусора // Труды конф. "Физика ядерно-возбуждаемой плазмы и проблемы лазеров с ядерной накачкой". –Т.3. – Обнинск, 1993.

64. Зродников А.В., Ионкин В.И., Марин С.Н. и др. О возможности использования космических ЯЭУ и ЯЭДУ большой мощности на базе ТРП и ЯРД на быстрых нейтронах в системе защиты Земли от опасных космических объектов. Международная конференция «Проблемы защиты Земли от столкновения с опасными космическими объектами». Сб. трудов. – Снежинск, 1994.

65. Синявский В.В., Юдицкий В.Д. Планетная атомная электростанция.// Атомная энергия. – 2000, –Т.89, –Вып.1.

66. Агеев В.П., Быстров П.И., Визгалов А.В. и др. Энергодвигательный блок на основе термоэмиссионной ядерной электрореактивной двигательной установки для марсианского экспедиционного комплекса // Ракетно-космическая техника. Науч.-техн. сборн. –Вып.1 (134). Ракетные двигатели и энергетические установки. Системы и средства бортовой энергетики. Изд.: –НИИТП. 1992. Пилотируемые полеты к Марсу. Анализ энергодвигательных установок. Ч.1.

67. Синявский В.В., Юдицкий В.Д. За гелием на астероиды.// Наука в России. –№1. –2000.

68. Бакушин О.С., Королев А.Г., Масленников А.А. и др. Аппараты и энергоустановки для восстановления озонового слоя лазерным излучением из космоса.//Труды первой междун. авиакосмической конф. "ЧЕЛОВЕК-ЗЕМЛЯ-КОСМОС". –Т.2. –Москва, 1995.

69. Демянко Ю.Г., Конюхов Г.В., Коротеев А.С. и др. Ядерные ракетные двигатели. – М.: Норма-Информ, 2001.

70. Poupko V. Ya. et. al. Light Propulsion for Space Flight: Proc/ of the Space Technology and Applications International Forum-99, Albuquerque, NM, 1999.

71. Gulevich A.V., Inanov E.A. Kukharchuk O.F., Poupko V. Ya., Zrodnikov A.V. Application of Nuclear Photon Engines for Deep Space Exploration. Proc. of Space Technology and Applications International Forum-2001, Albuquerque, NM, 2001.