Вокруг Света - Вокруг Света 2006 №10

Обходные пути

Чем же можно заменить обычные ракетные двигатели? Например, можно нагреть до высокой температуры сверхлегкие газы (водород, гелий, метан) и заставить их течь через сопло со скоростями в 2,0—2,5 раза выше, чем у химических ракетных двигателей. Это можно сделать с помощью либо компактного ядерного реактора, либо нагревательного элемента, работающего от солнечных батарей. Ядерные ракетные двигатели для пилотируемых экспедиций на Марс , которые так стремились осуществить США и СССР на заре космонавтики, активно разрабатывали в 1960—1970-е годы. Правда, из-за опасности радиационного заражения подобные работы были остановлены на фазе наземных испытаний.

Еще более экономичны и быстры плазменные и ионные электроракетные двигатели. В них поток заряженных частиц разгоняется до высоких скоростей с помощью электромагнитного поля, почти как в ускорителе элементарных частиц. Определяющим их тягу параметром оказывается мощность энергоустановки, создающей поле и разгоняющей частицы.

В начале 1960-х годов американские специалисты экспериментировали с компактными ядерными реакторами, оборудованными турбогенераторами. Они столкнулись с низкой надежностью и большими габаритами установки. Работы по улучшению характеристик системы требовали огромных финансовых вложений, и «аппетиты» пришлось ограничить сравнительно простыми радиоизотопными генераторами с полупроводниковыми термоэлектрическими преобразователями. Последние стояли на всех зарубежных аппаратах дальнего космоса — от «Пионеров» до «Кассини» .

Отечественные специалисты сконцентрировали внимание на термоионных и термоэмиссионных преобразователях, встроенных в активную зону реактора. Они позволили резко уменьшить габариты и массу радиатора-излучателя при довольно высоком КПД установки в целом.

Масса ядерной энергоустановки определяется ее максимальной мощностью, причем с ростом последней удельная масса системы снижается. Появляется возможность дать больше энергии на электроракетные двигатели, и это очень удачно: при увеличении мощности абсолютная и удельная тяга растут быстрее, чем масса двигателя. Поэтому, сохраняя неизменными величину тяги и время перелета, можно уменьшить необходимую массу топлива и выиграть в массе полезной нагрузки аппарата.

За такими двигателями — будущее, а наша страна, кстати, располагает уникальным опытом создания и эксплуатации реакторных энергоустановок в космосе. В 1960-е годы в СССР были разработаны ядерные энергоустановки «Бук» (с термоэлектрическим преобразователем мощностью 3 кВт) и «Тополь» (более известна как «Топаз», с термоэмиссионным преобразователем мощностью 5 кВт). Первый спутник с «Буком» был выведен на околоземную орбиту в 1970 году, а в период до 1988 года состоялись запуски в общей сложности 32 аппаратов данного типа. В 1987 году на орбиту были выведены два спутника с «Топазом». Для сравнения: единственный американский аппарат с атомным реактором SNAP 10A и термоэлектрическим преобразователем мощностью около 0,5 кВт был запущен США в 1965 году. Затем работы по ядерной энергетике в космосе в Америке надолго перешли в теоретическую плоскость и были возобновлены лишь в 2002 году в рамках программы «Инициатива по ядерным установкам».

Умеют у нас в стране делать и так называемые «стационарные плазменные двигатели» (СПД), имеющие на порядок большую удельную тягу, чем традиционные химические. Установки на их базе уже давно и успешно работают на многих отечественных и зарубежных спутниках. Удельная тяга, то есть отношение силы тяги к секундному расходу топлива, — важнейшая характеристика любого ракетного двигателя. Чем выше скорость истечения газов, тем выше тяга при одинаковом расходе топлива, а с ней и экономичность двигателя.

Орбитальная станция с ядерным реактором SNAP. Для безопасности реактор вынесен на штанге на 20 метров от станции. Эскиз проекта 1960-х годов

Ионные первопроходцы

Активные исследования в области электроракетных двигателей были начаты в СССР еще в первой половине 1960-х годов. Основной задачей для мощных «электрических ракет» в то время была пилотируемая экспедиция на Марс. Расчетные значения потребной удельной мощности (на уровне 10 МВт) и высокой удельной тяги почти однозначно определяли выбор типа двигателя — блок из 10—20 магнитоплазмодинамических (МПД) ускорителей. Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша (в то время НИИ тепловых процессов), как головной институт космической отрасли, провел обширные теоретические и экспериментальные исследования МПД-двигателей. В первые 10 лет изучались различные рабочие тела, всевозможные конструктивные схемы, разрабатывались методы диагностики, была создана уникальная стендовая база. Позднее, в 1970—1980-х годах, было проведено более 20 летных испытаний МПД-ускорителей, созданных в Центре Келдыша. Также в нашей стране интенсивные исследования МПД-двигателей велись в НПО «Энергия», ЦНИИмаш, ОКБ «Факел», МАИ, МИРЭА и МГТУ. Интерес к разработке ракетных МПД в 1970-е годы заметно снизился, что было вызвано в первую очередь трудностями генерации требуемой мощности в космосе. Так что сейчас работы по большим МПД продолжаются только в МАИ. Стоит заметить, что наряду с такими очевидными достоинствами данного типа двигателей, как высокие электрическая мощность и удельная тяга, у них имеется и один крупный недостаток — малый ресурс работы. В более выгодном положении оказались так называемые «стационарные плазменные двигатели» (СПД). Установки на их базе уже давно и успешно применяются на отечественных спутниках (первое испытание прошло в 1972 году на борту аппарата «Метеор»). Штатная эксплуатация серийных СПД была начата в 1982 году со спутника «Поток», где они использовались для коррекции геостационарной орбиты по долготе (в направлении «восток-запад»). Позже СПД устанавливались на спутниках связи «Луч», «Луч-2», «Купон», «Ямал-100», «Ямал-200». С 1994 года в составе геостационарных аппаратов «Галс», «Экспресс», «Экспресс-А», Sesat и «Экспресс-АМ» в космосе эксплуатируются довольно мощные СПД, которые корректируют орбиту как по долготе, так и по наклонению (в направлении «север-юг»). Надо отметить, что все они получают питание от солнечных батарей. В настоящее время ведущие космические державы активно используют российские электроракетные двигатели на своих аппаратах. Уже в 2002 году предпринимались попытки вывести на геостационарную орбиту спутники Stentor и Astra 1K с нашими СПД, но оба аппарата были потеряны из-за аварий ракетносителей. В 2003 году Европейское космическое агентство запустило к Луне научный аппарат SMART 1, оснащенный двигателем PPS-1350, который стал результатом совместной деятельности российского ОКБ «Факел» и французской компании Snecma. С этого момента зарубежные спутники с российскими электроракетными двигателями на борту стали запускаться регулярно. В 2004 году в космос ушли сразу несколько подобных аппаратов. Так, в июне на «геостационар» выведены Intelsat 10-02 и Telstar 18, в августе — Amazonas, а в феврале 2005 года запущен АМС-12/ WorldSat 2. Не отстают и отечественные спутникостроители, которые оснащают мощными СПД спутники серии «ЭкспрессАМ», «Монитор-М» и другие. Разработчиком двигателей, установленных на борту указанных выше аппаратов, является ОКБ «Факел». В настоящее время активные работы по электроракетным двигателям также проводятся еще в двух организациях — в Центре Келдыша и ЦНИИмаш.