Ядерное дежавю: существует ли ракета с ядерным двигателем

Из истории данного вопроса

Ракетный двигатель – один из старейших видов двигателя, известных человечеству. Мы не можем точно ответить на вопрос, когда именно была изготовлена первая ракета. Есть предположение, что это сделали еще древние греки (деревянный голубь Архита Тарентского), но большинство историков считает родиной данного изобретения Китай. Это произошло примерно в III столетии нашей эры, вскоре после открытия пороха. Первоначально ракеты использовали для фейерверков и других развлечений. Пороховой ракетный двигатель был достаточно эффективен и прост в изготовлении.

Первая боевая ракета была разработана в 1556 году Конрадом Хаасом, который придумывал различные виды вооружений для императора Фердинанда I. Этого изобретателя можно назвать первым создателем теории ракетных двигателей, также он является автором идеи многоступенчатой ракеты – в трудах Хааса подробно описан механизм работы летательного аппарата, состоящего из двух ракет. Изыскания продолжил поляк Казимир Семенович, живший в середине XVII века. Однако все эти проекты так и остались на бумаге.

Практическое использование ракет началось только в XIX столетии. В 1805 году британский офицер Уильям Конгрив продемонстрировал пороховые ракеты, которые имели небывалую по тем временам мощность. Презентация произвела должное впечатление, и ракеты Конгрива были приняты на вооружение английской армии. Их главным преимуществом, по сравнению со ствольной артиллерией, была высокая мобильность и относительно небольшая стоимость, а основным недостатком – кучность огня, которая оставляла желать лучшего. К концу XIX века широкое распространение получили нарезные орудия, стрелявшие очень точно, поэтому ракеты были сняты с вооружения.

Примерно так использовались ракеты Конгрива. Современная реконструкция

В России данным вопросом занимался генерал Засядко. Он не только усовершенствовал ракеты Конгрива, но и первым предложил использовать их для полета в космос. В 1881 году российский изобретатель Кибальчич создал собственную теорию ракетных двигателей.

Огромный вклад в развитие этого направления техники внес еще один наш соотечественник – Константин Циолковский. Среди его идей жидкостный ракетный двигатель (ЖРД), работающий на смеси кислорода и водорода.

В начале прошлого столетия энтузиасты во многих странах мира занимались созданием жидкостного РД, первым добился успеха американский изобретатель Роберт Годдард. Его ракета, работающая на смеси бензина и жидкого кислорода, успешно стартовала в 1926 году.

Вторая мировая война стала периодом возвращения ракетного оружия. В 1941 году на вооружение Красной армии была принята установка залпового огня БМ-13 – знаменитая «Катюша», а в 1943 – немцы начали использование баллистической Фау-2 с жидкостным ракетным двигателем. Она была разработана под руководством  Вернера фон Брауна, который позже возглавил американскую космическую программу. Германией также было освоено производство КР Фау-1 с прямоточными реактивным мотором.

Ракета Фау-2. Немцы называли ее «оружие возмездия». Правда, оно не слишком помогло Гитлеру

В разные годы предпринимались попытки создания ракетных двигателей, работающих за счет энергии ядерного распада (синтеза), но до практического применения подобных силовых установок дело так и не дошло. В 70-е годы в СССР и США началось использование электрических ракетных двигателей. Сегодня они применяются для коррекции орбит и курса космических аппаратов. В 70-е и 80-е годы были эксперименты с плазменными РД, считается, что они имеют хороший потенциал. Большие надежды связывают с ионными ракетными двигателями, использование которых теоретически может значительно ускорить космические аппараты.

Однако пока почти все эти технологии находятся в зачаточном состоянии, и основным транспортным средством покорителей космоса остается старая добрая «химическая» ракета. В настоящее время за титул «самый мощный ракетный двигатель в мире» соревнуется американский F-1, участвовавший в лунном проекте, и советский РД-170/171, который использовался в программе «Энергия-Буран».

«Волга-Атом»

В апреле 1965 года машина выехала на испытательный полигон под Северском. По воспоминаниям принимавшего участие в разработке двигателя Валентина Семенова, которому удалось прокатиться за рулем автомобиля (или атомобиля?), ощущения были весьма необычными: машина была очень тяжелой, но мощность двигателя компенсировала повышенную массу. Разгон был бодрым, а вот с торможением дело обстояло хуже. И еще мотор сильно грелся, и в автомобиле, несмотря на сибирскую прохладную весну, было очень жарко.

Проведенные испытания показали, что конструкция вполне рабочая, при этом реальный ресурс пробега составил более 60 000 км. Однако после этого весь силовой агрегат нужно было менять, а это очень хлопотно и расточительно для гражданской техники. Поэтому физики начали работу над второй версией двигателя — с газофазным топливом в виде гексафторида урана вместо твердого урана. Гексафторид одновременно служил и рабочим телом вместо гелия, который также доставлял в первой версии немало хлопот, улетучиваясь сквозь малейшие щели уплотнителей и даже сквозь стенки (для поддержания его уровня двигатель был оснащен баллоном с гелием и автоматической системой компенсации расхода). Правда, графитовый замедлитель пришлось сделать пористым, чтобы газ эффективнее перемешивался и в нем шла реакция деления. Новый двигатель был менее мощным (200 л.с., 600 Н•м), а пробег на одной загрузке топлива уменьшился примерно до 40 000 (по результатам испытаний). Зато для «заправки» теперь не требовалось менять весь двигатель, достаточно было закачать в цилиндры новый запас гексафторида урана.

Изначально планировалось изготовить несколько опытных машин, чтобы демонстрировать их на выставках и катать почетных гостей. Однако, пока конструкторы разрабатывали двигатель и сам автомобиль, ситуация изменилась. Хрущев ушел с поста генсека, а у сменившего его Брежнева не было подобных амбиций. Так что проект без особого шума закрыли. А два опытных экземпляра автомобилей (без двигателей, которые были сняты для дезактивации и захоронения) долгое время стояли на полигоне, а потом были утилизированы. С ними ушел и безграничный и безрассудный энтузиазм той эпохи, в которой люди не боялись хватать атом за хвост.

Примечание редакции: данная статья опубликована в апрельском номере журнала и является первоапрельским розыгрышем.

Статья «А под капотом – атомный мотор» опубликована в журнале «Популярная механика»
(№4, Апрель 2015).

Связанные одной целью

Термоядерный заряд и блок управления непрерывно общаются друг с другом. «Диалог» этот начинается сразу после установки боеголовки на ракету, а завершается он в момент ядерного взрыва. Все это время система управления готовит заряд к срабатыванию, как тренер — боксера к ответственному поединку. И в нужный момент отдает последнюю и самую главную команду.

При постановке ракеты на боевое дежурство ее заряд оснащают до полной комплектации: устанавливают импульсный нейтронный активатор, детонаторы и другое оборудование. Но к взрыву он еще не готов. Десятилетиями держать в шахте или на мобильной пусковой установке ядерную ракету, готовую рвануть в любой момент, попросту опасно.

Поэтому во время полета система управления переводит заряд в состояние готовности к взрыву. Происходит это постепенно, сложными последовательными алгоритмами, базирующимися на двух основных условиях: надежность движения к цели и контроль над процессом. Стоит одному из этих факторов отклониться от расчетных значений и подготовка будет прекращена. Электроника переводит заряд во все более высокую степень готовности, чтобы в расчетной точке дать команду на срабатывание.

Ядерный взрыв происходит мгновенно: летящая со скоростью пули боеголовка успевает пройти лишь сотые доли миллиметра, как вся мощность термоядерного заряда превращается в свет, огонь, удар и радиацию — и все это ужасающей силы.

Будущее ракетных двигателей

Мы привыкли видеть химические ракетные двигатели, которые сжигают топливо для производства тяги. Но есть масса других способов для получения тяги. Любая система, которая способна толкать массу. Если вы хотите ускорить бейсбольный мячик до невероятной скорости, вам нужен жизнеспособный ракетный двигатель. Единственная проблема при таком подходе — это выхлоп, который будет тянуться через пространство. Именно эта небольшая проблема приводит к тому, что ракетные инженеры предпочитают газы горящим продуктам.

Многие ракетные двигатели крайне малы. К примеру, двигатели ориентации на спутниках вообще не создают большую тягу. Иногда на спутниках практически не используется топливо — газообразный азот под давлением выбрасывается из резервуара через сопло.

Новые конструкции должны найти способ ускорить ионы или атомные частицы до высокой скорости, чтобы сделать тягу более эффективной. А пока будем пытаться делать электромагнитные двигатели и ждать, что там еще выкинет Элон Маск со своим SpaceX.

Не имеет аналогов в мире

На современных двигателях низкопотенциальное (избыточное) тепло, которое может повредить бортовую аппаратуру, выводится в окружающее пространство (космос) через трубы панельных радиаторов, где циркулирует жидкость-теплоноситель. Такая система охлаждения представляет собой громоздкую конструкцию, не защищённую к тому же от попадания метеоритов. 

Российские учёные изобрели принципиально новую схему отвода тепла. С помощью генератора холодильник-излучатель формирует капельные струйки горячего теплоносителя, который охлаждается на пути к гидросборнику и, собираясь в нём, направляется снова в рабочий контур. Подобная технология не предусматривает использования труб и таким образом облегчает конструкцию системы охлаждения.

Также по теме

«В самое жерло огненной печи»: станция BepiColombo начала семилетний полёт к Меркурию

С космодрома Куру во Французской Гвиане состоялся запуск космического корабля в рамках миссии по изучению Меркурия BepiColombo —…

«Успешное испытание системы охлаждения означает, что российским учёным удалось решить ключевую проблему на пути создания ЯЭДУ. Дело в том, что у атомной силовой установки один большой недостаток — она очень сильно нагревается. Если на Земле ядерный реактор охлаждается под напором воды, то в космосе такая возможность отсутствует», — сказал Петров.

Инициатором создания ЯЭДУ считается академик отделения физико-технических проблем энергетики РАН, бывший генеральный директор ФГУП «Исследовательский центр им. Келдыша» Анатолий Коротеев. Головной разработчик атомной энергодвигательной установки — Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники им. Н.А. Доллежаля (НИКИЭТ).

Создание ЯЭДУ ведётся в рамках запущенного в 2010 году проекта транспортно-энергетического модуля (ТЭМ), над которым работают предприятия «Росатома» и «Роскосмоса». Согласно графику комиссии по модернизации при президенте РФ, опытный образец ядерного реактора мегаваттного класса должен появиться до конца 2018 года. В материалах «Росатома» подчёркивается, что данный проект не имеет аналогов в мире.

«Реализация этого проекта позволит на базе уже имеющегося задела поднять отечественную технику на принципиально новый уровень, во многом опережающий зарубежные разработки», — заявил в октябре 2009 года на заседании комиссии по модернизации глава «Роскосмоса» (в 2004—2011 годах) Анатолий Перминов.

Как сообщил ранее генеральный конструктор НИКИЭТ доктор технических наук Юрий Драгунов, в основу ЯЭДУ лёг накопленный с 1960-х годов опыт создания ядерных ракетных двигателей, термоэлектрических энергоустановок и эксплуатации всевозможной космической техники. Мощность первого образца ядерной энергодвигательной установки он оценил в 1 МВт.

• Ядерный реактор атомной электростанции
• РИА Новости

Однако, как заявил Драгунов, в недалёком будущем Россия сможет производить 10-мегаваттные установки, «что подразумевает практически неограниченные возможности энергетики для космоса». По его словам, ЯЭДУ будет обладать более высоким коэффициентом полезного действия, так как тепловая энергия реактора не будет направляться на разогрев газовой смеси.

В процессе работы над космической атомной установкой специалисты ФГУП «НИИ НПО «Луч» (Подольск) впервые в мире разработали промышленную технологию создания монокристаллических длинномерных трубок из тугоплавких металлов (молибден, вольфрам, тантал, ниобий) и сплавов. Данное изобретение позволяет изготавливать агрегаты двигателей, способных работать при температуре 1500 °C.

Ядерные астронавты

Соревнование между СССР и США, в том числе и в космосе, шло в это время полным ходом, инженеры и ученые вступили в гонку по созданию ЯРД, военные тоже поддержали вначале проект ядерного ракетного двигателя. Поначалу задача казалась очень простой — нужно только сделать реактор, рассчитанный на охлаждение водородом, а не водой, пристроить к нему сопло, и — вперед, к Марсу! Американцы собирались на Марс лет через десять после Луны и не могли даже помыслить о том, что астронавты когда-нибудь его достигнут без ядерных двигателей.

Американцы очень быстро построили первый реактор-прототип и уже в июле 1959 года провели его испытания (они назывались KIWI-A). Эти испытания всего лишь показали, что реактор можно использовать для нагрева водорода. Конструкция реактора — с незащищенным топливом из оксида урана — не годилась для высоких температур, и водород нагревался всего до полутора тысяч градусов.

По мере накопления опыта конструкция реакторов для ядерного ракетного двигателя — ЯРД — усложнялась. Оксид урана был заменен на более термостойкий карбид, вдобавок его стали покрывать карбидом ниобия, но при попытках достигнуть проектной температуры реактор начинал разрушаться. Больше того, даже при отсутствии макроскопических разрушений происходила диффузия уранового топлива в охлаждающий водород, и потеря массы достигала 20% за пять часов работы реактора. Так и не был найден материал, способный работать при 2700−30000С и противостоять разрушению горячим водородом.

Поэтому американцы приняли решение пожертвовать эффективностью и в проект летного двигателя заложили удельный импульс (тяга в килограммах силы, достигаемая при ежесекундном выбросе одного килограмма массы рабочего тела; единица измерений — секунда). 860 секунд. Это вдвое превышало соответствующий показатель кислород-водородных двигателей того времени. Но когда у американцев стало что-то получаться, интерес к пилотируемым полетам уже упал, программа «Аполлон» была свернута, а в 1973 году окончательно закрыли проект «NERVA» (так назвали двигатель для пилотируемой экспедиции на Марс). Выиграв лунную гонку, американцы не захотели устраивать марсианскую.

Но уроки, извлеченные из десятка построенных реакторов и нескольких десятков проведенных испытаний, состояли в том, что американские инженеры слишком увлеклись натурными ядерными испытаниями, вместо того чтобы отрабатывать ключевые элементы без вовлечения ядерной технологии там, где этого можно избежать. А где нельзя — использовать стенды меньшего размера. Американцы почти все реакторы «гоняли» на полной мощности, но не смогли добраться до проектной температуры водорода — реактор начинал разрушаться раньше. Всего с 1955 по 1972 годы на программу ядерных ракетных двигателей было потрачено $1,4 млрд. — примерно 5% стоимости лунной программы.

Испытания[править | править код]

Впервые о ходе испытаний ракеты заявил президент Российской Федерации В. Путин в послании Федеральному собранию 1 марта 2018 года, заявление сопровождалось видеороликом пуска ракеты.

В июле 2018 года Министерство обороны РФ провело брифинг и продемонстрировало видео с испытаниями и цеха с ракетами. Представитель Минобороны заявил, что создание ракеты идёт по плану:

В мае 2018 года американский телеканал CNBC опубликовал заявление анонимных источников о том, что, согласно отчёту неназванных разведывательных структур США, испытания ракеты в конце 2017 года были неудачными. Это заявление подверглось критике: в частности, член Экспертного совета коллегии Военно-промышленной комиссии Российской Федерации Виктор Мураховский заявил, что источники издания приняли за аварии этап бросковых испытаний.

В августе 2018 года CNBC опубликовал статью, где сообщил подробности испытаний ракеты, проводившихся с ноября 2017 по февраль 2018 года. В качестве источника сведений вновь была указана неназванная разведслужба США. В частности, сообщалось о подготовке операции по поднятию со дна Баренцева моря ракеты с ядерным двигателем, упавшей в ходе одного из неудачных испытаний. Издание The Diplomat дополнило статью CNBC спутниковыми снимками предполагаемого испытательного полигона. Главный редактор журнала «Национальная оборона» Игорь Коротченко назвал новость специально «срежиссированным вбросом, за которым стоят те структуры Пентагона, которые проводят информационные операции в киберпространстве».

В начале февраля 2019 года американские издания The Diplomat и Business Insider на основании неизвестных источников в разведке США заявили о возобновлении испытаний крылатой ракеты на полигоне Капустин Яр; испытания охарактеризованы как частично успешные. В феврале 2019 года Business Insider, комментируя 13-е по счёту испытание, заявил, что «ракета до сих пор не функционирует должным образом». Со ссылкой на разведку США сообщается, что лишь одно испытание за всё это время было успешным.

По официально не подтверждённым данным ТАСС, в январе 2019 года прошли успешные испытания ядерной энергетической установки для крылатой ракеты комплекса «Буревестник».

В сентябре 2019 года CNBS со ссылкой на источники в американской разведке заявил как минимум о пяти завершившихся неудачей испытаниях «Буревестника» в период с ноября 2017 по 2019 год. Эта информация была опровергнута военным экспертом Игорем Коротченко. Он расценил заявления американских СМИ о якобы неудачах при испытаниях крылатой ракеты «Буревестник» как информационную операцию, направленную на дискредитацию российской «оборонки». Несмотря на имеющиеся проблемы, ракета, по мнению экспертов, будет поставлена на вооружение к 2025 году.

В сентябре 2019 года эксперт Павел Иванов выразил мнение, что испытания ракеты идут параллельно на двух или трёх полигонах: на Новой Земле, в Капустином Яру и, возможно, в .

Предполагаемая авария в ходе испытанийправить | править код

Основная статья: Инцидент в Нёноксе

8 августа 2019 года на военном полигоне вблизи села Нёнокса и посёлка Сопка (Архангельская область) произошёл взрыв, в результате которого погибли пять учёных-испытателей и ещё три человека пострадали. В Северодвинске, находящемся в 30 км от этого места, был зафиксирован кратковременный (с 11:50 до 12:20 по московскому времени) скачок радиационного фона до 2 мкЗв/ч при 0,11 мкЗв/ч. По данным Северного управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, повышение гамма-излучения на постах автоматизированной системы контроля радиационной обстановки было связано с прохождением облака радиоактивных инертных газов. Повышенный уровень бета-излучения наблюдался не только в Северодвинске, но и в Архангельске, в период 9 — 11 августа.

По утверждению Минобороны и корпорации «Росатом», на полигоне взорвался жидкостный реактивный двигатель, в котором использовался радиоизотопный источник питания. Эта же версия была приведена в газете «Известия».

Эксперты по ядерному оружию из и Энн Пеллегрино на основе спутниковых фотографий и косвенных данных высказали мнение, что несчастный случай произошёл во время испытаний крылатой ракеты с ядерной установкой «Буревестник». Позднее президент США Дональд Трамп заявил, что взорвавшимся изделием была именно ракета «Буревестник», при этом в администрации президента не подтвердили и не опровергли возможный факт испытания крылатой ракеты с ядерной установкой, военные эксперты выразили мнение, что сделанное Трампом заявление основано не на докладах разведки, а на публикациях СМИ.

Турбореактивный. Атомный

Сегодня подобные проекты кажутся невероятными, а в начале 1950-х задача была не сложнее, чем размещение реакторов на подводных лодках: и то и другое давало практически неограниченный радиус действия. Самолеты было поручено конструировать КБ Туполева и Мясищева, а «специальные двигатели» — КБ Архипа Люльки.

Турбореактивный двигатель с атомным реактором (ТРДА) по конструкции очень сильно напоминает обычный турбореактивный двигатель (ТРД). Только если в ТРД тяга создается расширяющимися при сгорании керосина горячими газами, то в ТРДА воздух нагревается, проходя через реактор. Активная зона авиационного атомного реактора на тепловых нейтронах набиралась из керамических тепловыделяющих элементов, в которых имелись продольные шестигранные каналы для прохода нагреваемого воздуха. Расчетная тяга разрабатываемого двигателя должна была составить 22,5 т. Рассматривалось два варианта компоновки ТРДА — «коромысло», при котором вал компрессора располагался вне реактора, и «соосный», где вал проходил по оси реактора. В первом случае вал работал в щадящем режиме, во втором требовались специальные высокопрочные материалы. Но соосный вариант обеспечивал меньшие размеры двигателя. Поэтому одновременно прорабатывались варианты с обеими двигательными установками.

Главным недостатком таких двигателей так называемой открытой схемы, когда атмосферный воздух проходил напрямую через реактор, было сильное радиационное заражение отработанного воздуха, что, например, исключало возможность применения обычной кабины экипажа. Он должен был располагаться в герметичной многослойной 60-тонной (!) свинцовой капсуле и управлять машиной посредством телевизионных и радиолокационных экранов. Расчетная масса такого самолета должна была превысить 250 т. Появилась логичная идея сделать бомбардировщик в беспилотном варианте — в виде своеобразной гигантской крылатой ракеты. Однако в ВВС не поддержали проект: в 1950-х годах автоматические системы управления не могли обеспечить маневренность для преодоления системы ПВО США.

Хранить вечно

Баллистические ракеты Р-1, Р-2 и Р-5, созданные под руководством Сергея Королева, не только показали перспективность этого вида оружия, но и дали понять, что жидкий кислород не очень подходит для боевых ракет. Несмотря на то, что Р-5М была первой ракетой с ядерной боеголовкой, а в 1955 году даже было произведено реальное испытание с подрывом ядерного заряда, военных не устраивало, что ракету нужно заправлять непосредственно перед стартом. Требовалась замена жидкому кислороду, замена полноценная, такая, чтоб и в сибирские морозы не замерзала, и в каракумскую жару не выкипала: то есть с диапазоном температур от -55 градусов до +55 градусов Цельсия. Правда, с кипением в баках проблем не ожидалось, так как давление в баке повышенное, а при повышенном давлении и температура кипения больше. Но кислород ни при каком давлении не будет жидким при температуре выше критической, то есть -113 градусов Цельсия. А таких морозов даже в Антарктиде не бывает.

Технологии
В США фонари вызывают полицию, если в городе стреляют

Азотная кислота HNO3 — другой очевидный окислитель для ЖРД, и ее использование в ракетной технике шло параллельно с жидким кислородом. Соли азотной кислоты — нитраты, особенно калийная селитра — уже много веков использовались как окислитель самого первого ракетного топлива — черного пороха.

Молекула азотной кислоты содержит как балласт лишь один атом азота да «половинку» молекулы воды, а два с половиной атома кислорода могут быть использованы для окисления горючего. Но азотная кислота — очень «хитрое» вещество, настолько странное, что непрерывно реагирует само с собой — атомы водорода от одной молекулы кислоты отщепляются и прицепляются к соседним, образуя непрочные, но чрезвычайно химически активные агрегаты. Из-за этого в азотной кислоте обязательно образуются разного рода примеси.

Кроме того, азотная кислота очевидно не удовлетворяет требованиям совместимости с конструкционными материалами — под нее специально приходится подбирать металл для баков, труб, камер ЖРД. Тем не менее «азотка» стала популярным окислителем еще в 1930-е годы — она дешева, производится в больших количествах, достаточно стабильна, чтобы ею можно было охлаждать камеру двигателя, пожаро- и взрывобезопасна. Плотность ее заметно больше, чем у жидкого кислорода, но главное ее достоинство по сравнению с жидким кислородом состоит в том, что она не выкипает, не требует теплоизоляции, может неограниченно долго храниться в подходящей таре. Только где ее взять, подходящую тару?

Все 1930-е и 1940-е годы прошли под знаменем поиска подходящих емкостей для азотной кислоты. Но даже самые стойкие сорта нержавеющей стали медленно разрушались концентрированной азоткой, в результате на дне бака образовывался густой зеленоватый «кисель», смесь солей металлов, который, конечно же, нельзя подавать в ракетный двигатель — он мгновенно забьется и взорвется.

Для уменьшения коррозионной активности азотной кислоты в нее стали добавлять различные вещества, пытаясь, зачастую методом проб и ошибок, найти комбинацию, которая бы, с одной стороны, не испортила окислитель, с другой — сделала его более удобным в использовании. Но удачная добавка была найдена только в конце 1950-х американскими химиками — оказалось, что всего 0,5% плавиковой (фтористоводородной) кислоты уменьшают скорость коррозии нержавеющей стали в десять раз! Советские химики задержались с этим открытием лет на десять-пятнадцать.