Что же за транспортно-энергетический модуль (ТЭМ), курсирующий между планетами и спутниками, готовят российские предприятия? Ранее мы обсуждали политику внутри космической отрасли России, но перейдём к технической составляющей этого неоднозначного проекта. Вокруг которого теперь обращается вся отрасль.
Когда за проект взялись, масштабы обещаний были не меньше, чем у Маска с его полётом пилотируемой экспедиции к Марсу в 2025-ом году. К 2018-ому, «Роскосмос» пообещал окончить разработку ТЭМ с капельными холодильниками-излучателями (КХИ) и 16-ью ионными двигателями рекордной мощности около 60 кВт.
Справка: до этого капельное охлаждение в космосе считалось невозможным из-за солнечного излучения и испарения жидкости. Поэтому во всех разработках КА присутствовали панельные холодильники. Их главный минус - это масса, которая возрастала в разы при увеличении электрической мощности. Ионные двигатели же к объявлению о начале проекта имели мощности в десятеро меньшие.
Сам ТЭМ должен был раскладываться из состояния для обтекателя ракеты, как на изображении выше, в функционирующую форму на том же рисунке. А для того, чтобы полностью покорить сердца всех мечтателей, объявили о том, что буксир будет иметь ядерный реактор мощностью до 3,5 МВт с инновационным карбонитридом урана в качестве топлива.
В 2009-ом году вся эта конструкция выглядела фантастичной. К тому же вместо разрабатываемых предприятиями «Роскосмоса» реакторов с термоэмиссионными преобразователям, которые имели большое будущее, благодаря идее КХИ взялись за турбомашинное преобразование энергии. Что означало разработку с нуля. И президент России, Дмитрий Медведев, подписал все документы на начало разработки ядерного космического модуля.
Дело доверили трём основным ведущим предприятиям. «НИКИЭТ им. Н. Доллежаля» — предприятие «Росатома», взялось за создание реактора. РКК «Энергия» обязалась создать сам космический аппарат, на который будет это установлено. Система преобразования энергии и ионные двигатели легли на плечи ИЦ им. Келдыша.
В XXI веке назрела огромная необходимость в полётах к Луне. Но делать это на химических двигателях абсурдно. Огромное количество дорогостоящего топлива тратится при каждом полёте. Чтобы уменьшить количество трат топлива, необходимо пропорционально увеличить скорость истечения вещества из двигателя. И единственным существующим решением на данный момент являются ионные двигатели.
Справка: ионные двигатели работают благодаря созданию реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле. Современные химические двигатели достигают возможностей истечения газа из сопла около 2-4 км/с. Но это практически предел. Электродвигатели на ионизированном газе расширяют данные возможности до 50-70 км/с. Что позволяет в 20-25 раз сократить траты топлива.
И тут возникает ещё одна проблема. Для большой скорости струи в электродвигателях необходимо много электроэнергии. Поэтому до сих пор ионные двигатели ставились только на небольшие аппараты и спутники, а солнечные панели покрывали нужные расходы энергии для корректировки орбиты. Но ТЭМ будет весить около 20-25 тонн, а такое "солнечники" не потянут. Тогда и было решено для работы целой группы двигателей на буксире разработать компактный ядерный реактор.
В изначальные планы входили 16 двигателей с мощностью около 60кВт каждый. Таким образом вместе они давали бы рекордные 900-1000 кВт на весь модуль. Но совершить революцию не получилось и ресурс двигателей оказался вдвое ниже. Сейчас заявляется о мощности в 32-35 кВт на двигатель, а их количество на буксире выросло до 24. Но общие возможности падают до 800 кВт всё равно.
Разработанный ИД-ВМ не оказался устроен на принципиально новых принципах, однако даже такой уровень, превышающий современные аналоги в 4-5 раз - выдающаяся заслуга.
Несмотря на огромное количество новых разработок для ТЭМ именно ядерный реактор удостоен наибольшего внимания к своей персоне. Отчасти незаслуженно, ведь он оказался одной из самых лёгких частей во всём проекте.
Создатели наземных реакторов на быстрых нейтронах для Белоярской АЭС взялись за этот проект с воодушевлением. Но обещание использовать в качестве топлива карбонитрид урана быстро испарилось. Причины - малоизученность, которая может привести к непредсказуемым последствиям и разрушению ТЭМ в космосе. Взяться решили за оксид урана UO2.
Это не стало огромным разочарованием. Замена произошла на всё ещё эффективное топливо, а множество изначальных идей так или иначе должно было ужаться до реальных возможностей. И карбонитрид урана списывать со счетов не стоит - после всех испытаний и подтверждения эффективности наверняка его используют в будущих версиях реактора.
Год от года НИКИЭТ имени Доллежаля начала рапортовать об успехах. В 2013-ом началось рабочее проектирование ядерной энергоустановки. В 2014-ом были испытаны системы управления реактором, а также первый ТВЭЛ. В 2015-ом закончены технические испытания корпуса ядерной установки. Было заявлено, что "уникальный конструкционный материал корпуса способен обеспечить работу реактора на протяжении более чем 100 тысяч часов" - около 11-12 лет. К 2016-ому году начались испытания полномасштабного имитатора ядра реактора. И к августу 2017-го было объявлено, что проект готов. В 18-ом году разработчики собираются провести испытания наземного образца ядерной энергоустановки, а через год полноценный образец будет сдан.
Не менее важной частью буксира должны стать капельные холодильники-излучатели нового типа. Долгое время даже сами разработчики не верили в то, что смогут разработать такую технологию. Поэтому параллельно шли работы над панельными холодильниками для ТЭМ. На макетах даже показывали рисунки двух разных буксиров, с обоими типами охлаждения.
Но в 2015-ом году на МКС был удачно проведён эксперимент "Капля-2", с целью подтверждения принципов работы охлаждения нового типа. Это позволило "Роскосмосу" спокойно выдохнуть, так как оставалась возможность создания компактного буксира, который смогут вывести ракеты тяжёлого или сверхтяжёлого класса.
Но более никакой информации о данной части проекта нет. А, значит, идут задержки и центр Келдыша не в состоянии справиться с частью проблем.
Справка: принцип работы капельного охлаждения прост. Вместо циркуляции в трубах нагретая жидкость выбрасывается в вакуум, охлаждается и улавливается конструкцией, проходя так цикл за циклом. Учёные опасались, что сталкиваясь в вакууме с солнечным излучением и другими эффектами, жидкость начнёт разлетаться, но в МФТИ смогли решить эту проблему с помощью целого комплекса программ.
Пока на других предприятиях лежали локальные конкретные части проекта, "Энергии" предстояло собрать нечто уникальное. Такой космический аппарат, которого ещё в принципе не существовало ранее. А многие принципы, на которых должен быть построен буксир, поражали воображение и уж точно вводили в шок конструкторов этого аппарата. От них требовали собрать все присущие полноценному КА элементы с учётом бесконтрольной десятилетней работы в космическом пространстве и в радиационных поясах за пределами магнитного поля Земли. Трубопроводы, фермы, солнечные панели, КХИ - всё это должно раскладываться самостоятельно и автоматически после вывода буксира на орбиту. Любой недочёт при этом может привести к отказу систем и потере дорогостоящего ядерного модуля. И при всём этом ТЭМ был ограничен массой в 22 тонны, чтобы уместиться в "Ангару-А5".
Здесь и кроется главная проблема всего проекта. В ограничениях и слишком завышенных ожиданиях. Чтобы создать такой аппарат, необходимы долгие испытания, отработка систем, крупные финансовые вливания и отказ от "Ангары". Как я рассказывал в прошлой статье «Хроники "космических транспортных систем" России», S7 Space взяла на себя обязательства к осени этого года подготовить план по ускорению создания ТЭМ. Скорее всего компания и профинансирует часть работ РКК "Энергии", а запуск буксира осуществится только к 2030-ому году, когда будет создана новая сверхтяжёлая ракета. Велика вероятность, что к тому моменту в центре Келдыша модифицируют свои ионные двигатели, а "Росатом" уже перейдёт к новому топливу. И в космос будет запущен полноценный ТЭМ, о котором и заявляли изначально, а не урезанная во многих аспектах версия, которую могли бы запустить в теории и в ближайшие 5 лет.
Илья Корнилов
