Т Р Е Т Ь И   У Т К И Н С К И Е   Ч Т Е Н И Я

__________________________________________

 

 

Карасев П.А., ФГУП «Конструкторское бюро «Арсенал» им. М.В. Фрунзе.   (Санкт-Петербург)

 

История использования космических аппаратов с ядерными энергетическими установками. Перспективы использования ЯЭУ в космосе.

 

Проблема оснащения космических аппаратов надежными системами энергообеспечения стала очевидна почти сразу после запусков первых искусственных спутников Земли. Химические аккумуляторные батареи, применявшиеся в те годы, не могли удовлетворить стремительно растущие потребности в энергообеспечении для решения серьезных энергоемких задач в космосе. Проведенные исследования показали, что для решения этой проблемы возможны несколько вариантов энергообеспечения.

Один из них предусматривал применение для питания бортовой аппаратуры полезной нагрузки и служебных систем КА солнечных батарей. Этот вариант было достаточно просто реализовать в техническом плане, он был относительно дешев и надежен при эксплуатации. Однако в те годы элементы солнечных батарей в процессе эксплуатации достаточно быстро деградировали, плюс ко всему они не могли обеспечить энергией спутник, когда он находился на теневом участке орбиты – в этом случае энергия поступала от аккумуляторов, имеющих значительную массу и небольшой срок работы. Тем не менее, сейчас этот способ обеспечения энергией космических аппаратов является основным в мировой космонавтике.

Другой вариант предусматривал использование ядерных источников энергии. Но использование ядерных источников энергии на космических аппаратах сопряжено с решением большого комплекса проблем обеспечения радиационной безопасности. Первый опыт решения этих проблем в нашей стране был получен при запуске в космос КА с радиоизотопными источниками энергии. В 1965 г. были запущены два экспериментальных КА связи типа «Стрела-1» с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (РИТЭГ) «Орион-1», работающими на полонии-210. Вес генераторов составлял 14,8 кг, электрическая мощность – 20 Вт, срок работы – 4 месяца. В последующие годы проводились работы, направленные на повышение мощности и ресурса РИТЭГ для луноходов и автоматических межпланетных станций. В то же время разработанные конструкции РИТЭГ отличались между собой применяемыми изотопами, термоэлектрическими материалами, конструктивными формами и т.п. Это значительно усложняло и удорожало создание подобных энергетических установок.

Сравнительно низкая энергоемкость, высокая стоимость РИТЭГ, сложности с решением проблем использования РИТЭГ в космосе, успехи в разработке энергетических установок на основе ядерного реактора явились причиной прекращения работ по РИТЭГ для космоса.

Использование термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей энергии в сочетании с ядерными реакторами позволило создать принципиально новый тип установок, в которых источник тепловой энергии - ядерный реактор и преобразователь тепловой энергии в электрическую объединены в единый агрегат - реактор-преобразователь.

Первый советский термоэлектрический реактор-преобразователь «Ромашка» был впервые запущен в Институте атомной энергии («Курчатовский институт») 14 августа 1964 г. Реактор на быстрых нейтронах имел тепловую мощность 40 кВт и использовал в качестве топлива карбид урана. Термоэлектрический преобразователь на кремний-германиевых полупроводниковых элементах выдавал мощность до 800 Вт. С.П. Королев намеревался использовать «Ромашку» на космических аппаратах в сочетании с импульсными плазменными двигателями. Испытания «Ромашки» закончились в середине 1966 года, но реактор так и не был использован в космосе.

Поэтому первой в мировой практике ядерной энергетической установкой (ЯЭУ), примененной на космическом аппарате, стала американская ЯЭУ SNAP-10A (System of Nuclear Auxiliary Power) на борту КА Snapshot, который был выведен на орбиту 3 апреля 1965 года. Предполагалось провести летные испытания реактора в течение 90 суток. Реактор на тепловых нейтронах использовал уран-235 в качестве топлива, гидрид циркония как замедлитель и натрий-калиевый расплав в качестве теплоносителя. Тепловая мощность реактора составляла около 40 кВт. Электрическая мощность, обеспечиваемая термоэлектрическим преобразователем, составляла от 500 до 650 Вт. Реактор успешно проработал 43 дня - до 16 мая 1965 года.

Тем не менее, США вскоре свернули свою программу по космическим ЯЭУ. Так, 18 мая 1968 г. был запущен последний, на сегодняшний день, американский спутник с ядерным реактором: на участке выведения потерпела катастрофу ракета-носитель «Тор-Аджена-Д», которая должна была вывести на орбиту метеорологический спутник «Нимбус-В» с ЯЭУ SNAP-19B2. Благодаря прочности конструкции аппарата он не разрушился. Позднее он был найден и поднят на борт корабля американских ВМС. К счастью, радиоактивного заражения мирового океана не произошло. После этого США запустили ряд КА с РИТЭГ, включая межпланетные автоматические станции «Пионер» и «Вояджер», а также пилотируемые космические корабли «Аполлон». Последним американским КА с радиоизотопным генератором стал зонд «New Horizons», запущенный к Сатурну в январе 2006 г.

Первый советский спутник с ЯЭУ был запущен 3 октября 1970 г. Это был прототип космического аппарата радиолокационной разведки «УС-А» («Космос-367»), разработанный и изготовленный реутовским НПО машиностроения (генеральный конструктор - В.Н. Челомей). А начиная с 1969 г. весь комплекс работ по космическим аппаратам «УС-А», включая выпуск конструкторской и эксплуатационной документации, освоение серийного производства, проведение наземной и летно-конструкторской отработки космических комплексов, сдачу их в эксплуатацию проводился ленинградскими КБ и заводом «Арсенал».

КА «УС-А», был оснащен радиолокатором одностороннего бокового обзора и был предназначен для обнаружения надводных кораблей и авианосных соединений противника. В качестве энергетической установки КА была использована ЯЭУ БЭС-5 «Бук» мощностью 3 кВт с термоэлектрическим преобразованием тепловой энергии (разработчик ЯЭУ – ФГУП «Красная Звезда»). Для обеспечения радиационной безопасности после завершения срока активного существования в составе КА была предусмотрена специальная твердотопливная двигательная установка, обеспечивающая увод энергетической части КА на орбиту с длительным сроком существования – продолжительностью не менее 10 периодов полураспада наиболее «живучих» изотопов ЯЭУ.

За время серийного производства КА «УС-А» удалось увеличить срок активного существования изделий с 45 до 120 суток, при этом были решены задачи по защите бортовой аппаратуры КА от радиационного воздействия ЯЭУ.

В эти же годы коллективом КБ «Арсенал» проводились работы по модернизации КА «УС-А», направленные на кардинальное улучшение тактико-технических характеристик и увеличение срока активного существования. Результатом этого стало создание во второй половине 1980-х г.г. космического аппарата двухстороннего радиолокационного обзора – «УС-АМ». Срок активного существования КА «УС-АМ» составил около 300 суток, применение локатора двухстороннего обзора позволило существенно расширить возможности КА с точки зрения целевого применения.

Параллельно работам по созданию ЯЭУ с термоэлектрическими генераторами проводились работы по ЯЭУ с термоэмиссионными преобразователями. Термоэмиссионное преобразование по сравнению с термоэлектрическим позволяет увеличить КПД, повысить ресурс и улучшить массогабаритные характеристики энергоустановки и космического аппарата в целом. В 1970-73 гг. были созданы и прошли наземные энергетические испытания первые три прототипа ЯЭУ. Эти испытания непосредственно подтвердили возможность стабильного получения удовлетворительных выходных параметров реактора-преобразователя. Работы шли по ЯЭУ двух типов: ТЭУ-5 «Тополь» (Топаз-1) и «Енисей» (Топаз-2). Летные испытания двух образцов ЯЭУ «Тополь» были проведены в 1987-88 гг. на КА «Плазма-А» разработки КБ «Арсенал» («Космос-1818» и «Космос-1867»). ЯЭУ на КА «Космос-1818» проработала в течение 142 суток, а ЯЭУ на «Космос-1867» - в течение 342 суток. В обоих случаях окончание работы ЯЭУ было связано с плановым исчерпанием запасов цезия, используемого при работе термоэмиссионного реактора-преобразователя.

Отличительной чертой ТЭУ-5 стало соединение реактора с термоэмиссионным (термоионным) преобразователем тепловой энергии в электрическую. Такой преобразователь подобен электронной лампе: катод из молибдена с вольфрамовым покрытием, нагретый до высокой температуры, испускает электроны, которые преодолевают промежуток, заполненный ионами цезия под низким давлением, и попадают на анод. Электрическая цепь замыкается через нагрузку.

Реактор (топливо – диоксид урана с 90% обогащением, теплоноситель – калий-натриевая смесь) имел тепловую мощность 150 кВт, причем количество урана-235 в реакторе было снижено до 11,5 кг по сравнению с 30 кг в БЭС-5 «Бук». Выходная электрическая мощность преобразователя составляла от 5 до 6,6 кВт.

В свою очередь, реактор-преобразователь «Енисей» разрабатывался по заказу НПО прикладной механики сначала для спутника непосредственного телевизионного вещания «Экран-АМ», а после отмены этого проекта – для геостационарного КА «Эстафета». Тепловая мощность «Енисея» была порядка 115-135 кВт, электрическая мощность 4,5-5,5 кВт. Расчетный срок службы был не менее 3 лет.

Согласно ряду сообщений в прессе, в 1992 году США приобрели в России за 13 млн. долларов две ЯЭУ «Енисей». Один из реакторов, поставленных в США, предполагалось после тщательных наземных испытаний использовать в 1995 г. в «Космическом эксперименте с ядерно-электрической двигательной установкой». Однако в 1996 г. этот проект был закрыт.

Другие проекты космических реакторов 1990-х годов также не дошли до летных испытаний. Так, в 1993 г. были закрыты два американских проекта для Стратегической оборонной инициативы: ЯЭУ SP-100 с максимальной выходной электрической мощностью от 40 до 300 кВт и сроком службы от 3 до 7 лет и особо мощная установка MMW на 5 МВт электрической мощности. В России проводилась разработка мощной двухрежимной установки «Топаз-100/40» («Топаз-3») для сверхмощного геостационарного КА «Космическая звезда». В режиме 100 кВт установка должна была обеспечить перевод КА с помощью электроракетных двигателей с начальной радиационно-безопасной орбиты (800 км) на геостационарную, а в режиме 40 кВт – для питания целевой аппаратуры в течение 7 лет.

Немалую роль в прекращении эксплуатации космических аппаратов с ЯЭУ сыграло настороженное после чернобыльской катастрофы отношение мирового общественного мнения к ядерной энергетике вообще. К концу 80-х годов обывателю, по крайней мере, на Западе, уже было известно об авариях космических аппаратов с ядерными энергоустановками – как советскими, так и американскими.

Но наиболее серьезные аварии (с радиационным загрязнением) со спутниками с ЯЭУ происходили, по сути, дважды. Первая случилась 21 апреля 1964 г., когда аварией закончился запуск американского навигационного спутника «Транзит-5В» с ядерной энергетической установкой SNAP-9A на борту, а находившиеся в ней 950 граммов плутония-238 рассеялись в земной атмосфере, вызвав существенное повышение естественного радиоактивного фона. Вторая произошла 24 января 1978 г. уже с советским КА радиолокационной разведки «УС-А» («Космос-954»). В результате неконтролируемого схода спутника с орбиты при прохождении плотных слоев земной атмосферы произошло разрушение космического аппарата, а его обломки упали в северо-западных районах Канады. Произошло незначительное радиоактивное загрязнение поверхности, правительство СССР выплатило Канаде компенсацию, но ущерб в этом случае был в большей степени политическим – СССР обвинили в милитаризации космоса, а КА «УС-А» пришлось дооснащать дублирующей системой обеспечения радиационной безопасности, и пуски таких аппаратов возобновились только в 1980 году. Последний инцидент со спутником «УС-А» («Космос-1900») случился в 1988 г., когда, как казалось, уже было не избежать повторения канадского скандала, но за несколько дней до входа КА в плотные слои атмосферы сработала аварийная защитная система и активная зона реактора была успешно отделена и переведена на орбиту захоронения.

За месяц до этого был запущен КА «УС-АМ» «Космос-1932», с модернизированной ЯЭУ «Бук». И хотя в этот раз полет прошел нормально, от эксплуатации аппаратов с ЯЭУ было решено отказаться «до лучших времен». Тем более, что в это время оказывалось серьезное давление со стороны США и международных организаций, требовавших от Советского Союза «прекратить загрязнение космоса».

Здесь необходимо отметить, что в нашей стране с самого начала работ по космическим аппаратам с ЯЭУ огромное значение придавалось обеспечению экологической безопасности на всех этапах их эксплуатации. С учетом специфики работы реактора, накопления в нем радиоактивности и ее последующего спада, были приняты следующие принципы обеспечения безопасности:

·         сохранение реактора ЯЭУ в подкритичном состоянии (т.е. без протекания реакции деления) до выхода КА на орбиту, в том числе во всех аварийных ситуациях;

·         включение реактора ЯЭУ только на рабочей орбите КА;

·         обязательное выключение реактора после выполнения спутником заданной программы, а также при возникновении аварийной ситуации;

·         изоляция ЯЭУ от населения Земли в течение времени, необходимого для снижения радиоактивности выключенного реактора до безопасного уровня;

·         при невозможности изоляции – диспергирование (дробление) ЯЭУ до уровней, обеспечивающих безопасность населения на территории выпадения фрагментов установки.

Эти принципы были в дальнейшем одобрены Комитетом ООН по космосу и закреплены в ныне действующем документе «Принципы, касающиеся использования ядерных источников энергии в космическом пространстве», принятом Генеральной Ассамблеей ООН в 1992 году.

Как видно из истории, использование ЯЭУ в космосе остается опасным и дорогостоящим делом, но игра всё же стоит свеч. В настоящее время в России ведется отработка и создание космических ядерных энергетических установок следующего поколения. Ранее созданные установки "Бук" и "Тополь" имели уровень мощности 3-10 кВт и ресурс работы от 3 месяцев до одного года. Имеется практический задел по созданию установок мощностью до 100 кВт и с ресурсом работы от 5 до 10 лет.

Применение ядерных энергоустановок в космосе в соответствии с принятой идеологией предусматривает их использование только в тех сферах, где нет возможности решить задачу с помощью других источников энергии. Главным источником энергии в космосе на околоземных орбитах сегодня, как упоминалось выше, являются солнечные элементы, КПД и, соответственно, мощность которых за последнее время значительно выросла. Если еще несколько лет назад разработчики ЯЭУ ориентировались на уровень мощности 20 кВт, то сегодня такой уровень планируется обеспечивать солнечными источниками энергии. В то же время для полетов в дальний космос использование ЯЭУ практически не имеет альтернативы. Для таких масштабных проектов, как, например, экспедиция на Марс, преимущество использования ядерной энергетики не вызывает сомнений. Причем ЯЭУ может служить не только источником энергии для жизнеобеспечения экипажа и питания аппаратуры, но и средством, обеспечивающим движение, в том числе с помощью ядерного ракетного двигателя. В соответствии с современными представлениями это может быть транспортно-энергетический модуль, обеспечивающий вывод аппарата на орбиту или возможность смены орбиты. Такая двухрежимная установка с уровнем мощности около 100 кВт обеспечит вывод космического корабля на рабочую орбиту, а на орбите обеспечит энергопитание на более низком уровне мощности.

В США после долгого перерыва решили вернуться к использованию космических ЯЭУ – в 2004 году были начаты предварительные исследования по созданию первой в мире межпланетной станции, использующей ядерный реактор как источник питания бортовой электрореактивной двигательной установки и научной аппаратуры с высоким уровнем энергопотребления.

Станция предназначена для исследования трех из четырех галилеевых спутников Юпитера – Европы, Ганимеда и Каллисто – и потому названа JIMO (Jupiter Icy Moon Orbiter, Орбитальный аппарат для ледяных лун Юпитера). Она должна окончательно установить, существуют ли под ледяной корой этих больших спутников океаны, в которых может быть жизнь.

Таким образом, сейчас наблюдается настоящий ренессанс космической ядерной энергетики – для решения амбициозных энергоемких задач на околоземной орбите и в дальнем космосе требуется колоссальная энергия, дать которую в настоящее время способны только ядерные энергетические установки. При должном финансировании и внимании мирового ученого сообщества к этой технологии человечество уже в ближайшей перспективе будет способно подойти к промышленному освоению космоса, пилотируемому полету на Марс и исследованию дальних планет.

 

 

Список литературы

1.      Афанасьев И. К истории разработки спутников морской радиоразведки. // «Новости космонавтики», № 1, январь 2007 г., стр. 70-71.

2.      Гафаров А.А. Ядерная энергия в космосе: состояние и перспективы. // "Новости космонавтики", 2004, № 4, с.38-40

3.      Гафаров А.А. Ядерная энергия в космосе: безопасность гарантирована. // "Новости космонавтики", 2004 г., № 9, с. 42-45

4.      Гафаров А.А. Ядерная энергия в космосе: ключ к тайнам мироздания. // "Новости космонавтики", 2005 г., № 1, с. 44-47

5.      Железняков А. Ядерное созвездие: история создания и эксплуатации отечественных космических аппаратов с ядерными энергетическими установками. // Энциклопедия «Космонавтика», www.cosmoworld.ru

6.      Железняков А. Авария спутника «Космос-954». // "Секретные материалы", № 19(146), сентябрь 2004 г., с. 14-15.

7.      Землянов А.Б., Косов Г.Л., Траубе В.А. «Система Морской космической разведки и целеуказания (история создания)», СПб., 2002 г.