Впервые философы и писатели в разных странах начали задумываться о полетах и путешествиях к другим планетам на рубеже 16-го века. Несколько сот лет спустя, благодаря научно-техническому прогрессу и новым знаниям, Жюль Верн и Герберт Уэллс средствами научной фантастики продолжили идею полёта к другим планетам, а уже позже космическим пророком Константином Циолковским в его трудах были сформированы постулаты теоретической космонавтики.
Прошло всего пять столетий от зарождения мысли до воплощения пионером практической космонавтики Королёвым мечты человека о полете в космос.
Конечно, первый полет человека в космос стал событием мирового масштаба, но и космические достижения сегодняшнего дня имеют не менее важное значение. Спустя 60 лет после знаменитого полета Гагарина на космическом корабле «Восток-1» успехи современной космической техники не ограничиваются запуском множества спутников или работой МКС.
Сегодня в разных странах полным ходом ведутся программы направление не только на освоение околоземного пространства и Луны, но и на реализацию заветной мечты человека о полетах к другим планетам и в дальний космос.
В конце марта в рамках регулярного отчета перед Экспертным советом НАСА Уильям Герстенмайер, представил пилотируемую программу агентства на ближайшее десятилетие. Этот план включает создание посещаемой станции на орбите Луны в первой половине 2020-х годов, постройку транспортной системы для дальнего космоса в конце десятилетия, полет к спутникам Марса в первой половине 2030-х и, наконец, высадку на Марс в конце 2030-х или начале 2040-х.
В России тоже верстаются весьма амбициозные планы освоения космического пространства на предстоящие 20 лет.
2020-2030 год — создание космического ракетного комплекса сверхтяжелого класса, а также многоразовых межорбитальных космических буксиров. Также до 2030 года планируется пилотируемый облёт Луны и уже после 2030 года создание околоземной и лунной орбитальной станции для обслуживания транспортных операций. Кроме того, до 2030 года планируется разработка модулей лунной базы и лунного посадочного корабля для доставки грузов. Если же говорить о в полёте Российских космонавтов на Марс, то по мнению различных экспертов, Россия после освоения Луны в полной мере сможет реализовать планы по полетам к Марсу. Луна в данном случае станет промежуточной базой при освоении дальнего космоса, решении научных задач и других технологических проблем.
Полет человека на Марс — это очень сложная и амбициозная задача. Помимо того, что полет человека к Марсу с использованием классических химических двигателей займет около двух лет, есть целый спектр проблем, которые в настоящий момент не имеют решения. Даже с учетом того, что на время полета человека необходимо защитить от радиации, обеспечить продуктами питания, водой и кислородом, это далеко не самая большая проблема в этой экспедиции. Для работы всех систем такого космического корабля нужна электрическая энергия и в большом количестве. Кроме того, по прилету человека на марс, этот человек должен обеспечивать свой быт, использовать машины и механизмы, заниматься научной и исследовательской деятельностью. Одними солнечными батареями эту проблему не решить, тем более что инсоляция на марсе в три раза ниже Земной…
При всем развитии современных технологий освоения космоса, сегодня даже на Международной космической станции самый дефицитный продукт – это не воздух, не продукты питания или вода, а электрическая энергия. Многие испытания различных систем и устройств не могут быть осуществлены по одной простой причине, для этого на МКС просто нет доступного электричества. Энергетическая мощность всех солнечных батарей этой космической станции всего 110 кВт. Чтоб вы понимали, по установленным нормативам этого количества энергии хватит только на подключение семи двухэтажных сельских домов.
В космонавтике постоянно растет потребность в энергетическом обеспечении, а эффективность солнечных батарей снижается по мере того, как космические аппараты удаляются от Солнца.
Единственный выход из этой ситуации – это ядерная энергетическая установка и космические двигатели на новых физических принципах.
Ядерный реактор в космосе далеко не новая, но достаточно сложная в реализации идея.
Впервые ядерный термоэлектрический реактор-преобразователь «Ромашка» был запущен в СССР 14 августа 1964 года. В совокупности с термоэлектрическим преобразователем на кремний-германиевых полупроводниковых элементах это устройство позволяло вырабатывать 800 ватт электрической энергии. Тем не менее этому устройству не довелось побывать в космосе.
Впервые ядерный реактор на борту космического аппарата появился в 1965 году.
3 апреля 1965 года ракетой-носителем «Атлас» на околоземную орбиту был выведен спутник «Snapshot». Однако в силу несовершенства технологий его работа сопровождалась многочисленными проблемами и спустя 43 дня эксперимента из-за ошибки системы управления были сброшены детали конструкции отражателя реактора, что привело к его необратимому глушению. Это был последний и единственный ядерный реактор США, который побывал в космосе. В рамках последующих космических программ на Западе в космос запускались только спутники и межпланетные станции с радиоизотопными термоэлектрическими преобразователями.
Например, энергетическая установка космического аппарата Вояджер имела мощность всего 400 ватт. Совокупная мощность двух РИТЕГов автоматического космического аппарата НАСА «Галилео» составляла 570 ватт. Мощность плутониевых термоэлектрических генераторов автоматической межпланетной станции Кассини-Гюйгенс составляла всего 800 ватт.
В отличии от США в СССР не прекращали разработки полноценных ядерных энергетических установок для космоса.
Первый советский полноценный ядерный реактор БЭС-5, побывавший в космосе был запущен 3 октября 1970 года на спутнике радиолокационной разведки «Космос-367». Электрическая мощность установки составляла 3 кВт при тепловой в 100 кВт, максимальный ресурс работы БЭС-5 — 124 суток. За все годы космических запусков в СССР на орбиту было отправлено 32 спутника с ЯЭУ БЭС-5.
Параллельно с работами по созданию и доработке ЯЭУ БЭС-5 в СССР велась разработка целого спектра установок с мощностью от 10 до 500 и более кВт для выполнения широкого круга задач, среди которых были станция на Луне, экспедиция к Марсу, посещаемая космическая станция.
В рамках этой программы была создана ядерная энергетическая установка ТЭУ-5 «Тополь» («Топаз-1») с выходной электрической мощностью преобразователя от 5 до 6,6 кВт.
Первая установка была запущена в космос 1 февраля 1987 г. и проработала в составе КА “Космос-1818” (17369 / 1987 011А) в течение 142 суток. Следующая установка, установленная на борту КА “Космос-1867” (18187 / 1987 060А), была выведена в космос 10 июля 1987 г. и проработала 343 суток.
Кроме этих двух полетов других испытаний ЯЭУ “Топаз-1” не проводилось, хотя разговоры о ее возможном использовании, в том числе и в рамках международных проектов велись еще долго.
Американские подрядчики НАСА, за долгие годы так и не смогли создать полноценный ядерный реактор, стабильно работающий в космосе. В связи с этим в 1988 году США провели через ООН запрет на использование ядерных энергодвигательных установок в космосе. Тем не менее ситуация изменилась, когда российские специалисты продолжили работы советских коллег, представители США показали заинтересованность в развитии проекта и участии в нём.
В 1992 году США приобрели в России за 13 млн долларов две ЯЭУ «Енисей» («Топаз-2»). Один из реакторов предполагалось после тщательных наземных испытаний использовать в 1995 году в «Космическом эксперименте с ядерно-электрической ДУ» (Nuclear Electric Propulsion Spaceflight Test Program). Однако в 1993 году из-за сокращения бюджета было решено ограничиться только наземными испытаниями, а в 1996 году проект был закрыт.
Спустя 10 лет в России решили вернуться к созданию ядерной энергодвигательной базы и на ее основе новых космических средств высокой энерговооруженности для осуществления амбициозных программ изучения и освоения космического пространства. В основу ЯЭДУ положен ядерный реактор с турбомашинным преобразователем большой долговечности. Разработка ТЭМ проводится по распоряжению президента России от 22 июня 2010 г. № 419-рп. Его создание предусмотрено и госпрограммой «Космическая деятельность России на 2013 – 2020 годы», и Президентской программой по модернизации экономики.
Для реализации этого передового проекта в период с 2010 по 2018 год было выделено более 17 млрд руб.
В проекте впервые реализуются инновационные технологии, во многом не имеющие мировых аналогов:
- высокоэффективная схема преобразования ядерной энергии;
- высокотемпературный компактный реактор на быстрых нейтронах с системами газового охлаждения, обеспечения ядерной и радиационной безопасности на всех этапах эксплуатации;
- тепловыделяющие элементы на основе высокоплотного топлива;
- маршевая двигательная установка на основе блока мощных высокоэффективных электроракетных двигателей (ЭРД);
- высокотемпературные турбины и компактные теплообменные аппараты с десятилетним расчетным ресурсом;
- высокооборотные электрические генераторы-преобразователи большой мощности; развертывание крупногабаритных конструкций в космосе и др.
Данные средства дают возможность реализации экспедиций в дальний космос, более чем 20-кратный рост экономической эффективности космических транспортных операций и более чем 10-кратное увеличение электрической мощности на борту космических аппаратов.
На сегодняшний день в рамках реализуемого проекта ЯЭДУ имеет исключительно высокие характеристики: при тепловой мощности реактора 4 МВт электрическая мощность на генераторе составит 1 МВт, что в 151 раз больше чем на самом продвинутом советском реакторе типа «Топаз» и в 10 раз больше чем на Международной космической станции.
Перспективы у ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса очень впечатляют. Помимо возможности сократить в несколько раз время полета до Марса, энергетические возможности ЯЭДУ позволяют в полной мере освоить околоземное пространство, включая развертывание полноценных научных экспедиций на Луне.
Вне всякого сомнения, на пути полета человека к Марсу и другим планетам еще стоит много трудностей, а также технических проблем, но благодаря исследованиям научно-исследовательский института им. Келдыша и создаваемой Российской ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса дальний космос стал значительного ближе для человека.
ЦИГР, МОО Вече
Владимир Орлов
