Автомобиль на ядерном двигателе как он работает

Как будет работать двигатель на термоядерном синтезе

Люди уже успели побывать на Луне, да и полет на околоземную орбиту уже не кажется чем-то из ряда вон выходящим. В космосе давно и прочно обосновалась Международная космическая станция. Тем не менее, если вы задумаетесь о размерах нашей Солнечной системы, не говоря уж о всей Вселенной, станет очевидно, что наши шаги в освоении межпланетного и межзвездного пространства — просто пешком под стол. Для того, чтобы слетать на Марс и другие планеты, которые находятся вне досягаемости обычных ракетных двигателей, NASA разрабатывает несколько дополнительных реактивных двигателей, в том числе и на энергии солнца.

В принципе, космический корабль с силовой установкой на термоядерном синтезе должен воссоздать те же типы высокотемпературных реакций, которые происходят в сердце солнца. Огромная энергия этих реакций вырабатывается двигателем и создает тягу. Используя этот тип двигательной установки, космический корабль может добраться до Марса всего за три месяца. Обычным ракетам понадобится по меньшей мере семь.

В этой статье вы узнаете, что такое синтез и что делает NASA для того, чтобы корабли с такими двигателями стали реальностью.

Проект ТЭМ: ядерный реактор и электроракетный двигатель для космоса

Один из самых смелых проектов последних лет в сфере космических технологий развивается, и появляются поводы для хороших новостей. На днях стало известно о завершении работ по проекту «Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса». Теперь ученым предстоит провести ряд последующих работ, и конечным результатом станет появление полноценного модуля, пригодного к эксплуатации.

Отчет о работе

В конце июля «Роскосмос» утвердил отчет за 2018 г., указывающий основные направления деятельности и успехи организации. Среди прочего в отчете упомянут проект «Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса», разрабатывавшийся в рамках Госпрограммы «Космическая деятельность России на 2013-2020 годы».

Согласно отчету, выполнение этого проекта было завершено в прошлом году. В рамках этих работ подготовлена конструкторская документация, изготовлены и испытаны отдельные изделия. Пока речь идет о компонентах будущего макета наземного прототипа транспортно-энергетического модуля (ТЭМ).

На этом работы по созданию ТЭМ не останавливаются. Все дальнейшие мероприятия будут осуществляться в рамках существующей федеральной космической программы. К сожалению, в отчете «Роскосмоса» не приводятся технические подробности проекта ТЭМ в его нынешнем виде, а также не указываются сроки выполнения работ. Впрочем, эти данные известны из других источников.

История вопроса

Согласно отчету «Роскосмоса», работы по теме ТЭМ продолжаются и скоро должны выйти на новый этап. Это означает, что планы по созданию принципиально новой ракетно-космической техники, утвержденные почти 10 лет назад, будут выполнены в обозримом будущем.

Идея транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) в ее нынешнем виде была предложена в 2009 г. Разработка этого изделия должна была осуществляться предприятиями «Роскосмоса» и «Росатома». Ведущую роль в проекте играют ракетно-космическая корпорация «Энергия» и ФГУП «Центр Келдыша».

В 2010 г. проект стартовал, начались первые исследовательские и конструкторские работы. На тот момент утверждалось, что основные компоненты ЯЭДУ и ТЭМ будут готовы к концу десятилетия. Эскизный проект ТЭМ подготовили в 2013 г. В 2014-м начались испытания компонентов ЯЭДУ и ионного двигателя ИД-500. В дальнейшем неоднократно появлялись сообщения о тех или иных работах и успехах. Строились и испытывались различные элементы ЯЭДУ и ТЭМ, а также осуществлялся поиск сфер применения новой техники.

По мере проработки проекта ТЭМ в открытых источниках регулярно публиковались изображения, показывающие примерный облик этого изделия. Последний раз подобные материалы появлялись в ноябре прошлого года. Любопытно, что этот вариант облика заметно отличался от предыдущих, хотя и имел некоторое сходство в основных чертах.

Технические особенности

Транспортно-энергетический модуль рассматривается в качестве многоцелевого средства для работы в космосе, как на орбитах Земли, так и на других траекториях. С его помощью в будущем планируется выводить полезную нагрузку на орбиты или отправлять к другим небесным телам. Также ТЭМ может использоваться для обслуживания космических аппаратов или в борьбе с космическим мусором.

ТЭМ получит раздвижные несущие фермы, за счет которых будут обеспечены необходимые габариты. На фермах предлагается монтировать энергоблок с реакторной установкой, приборно-агрегатный комплекс, стыковочные средства, солнечные батареи и т.д. В хвостовой части модуля будут располагаться маршевые и маневровые электроракетные двигатели. Полезная нагрузка будет перевозиться при помощи стыковочных устройств.

Основной компонент ТЭМ – ЯЭДУ мегаваттного класса, разрабатываемая с 2009 г. Реактор установки должен отличаться особой стойкостью к температурным нагрузкам, что связано с особыми режимами его работы. В качестве теплоносителя выбрана гелий-ксеноновая смесь. Тепловая мощность установки достигнет 3,8 МВт, электрическая – 1 МВт. Для сброса лишнего тепла предлагается использовать капельный холодильник-излучатель.

Электроэнергия от ядерной установки должна подаваться на электроракетный двигатель. На стадии испытаний находится перспективный ионный двигатель ИД-500. При КПД до 75% он должен показывать мощность 35 кВт и тягу до 750 мН. На испытаниях в 2017 г. изделие ИД-500 отработало на стенде 300 ч на мощности 35 кВт.

Согласно данным прошлых лет, ТЭМ в рабочем положении будет иметь длину более 50-52 м при диаметре (по раскрытым фермам и элементам на них) свыше 20 м. Масса – не менее 20 т. Вывод такого модуля на околоземную орбиту будет осуществляться при помощи одной или нескольких ракет-носителей с последующей сборкой. Затем с ним должна стыковаться полезная нагрузка. Расчетный срок службы, ограниченный ресурсом реактора, составляет 10 лет.

Большие перспективы

Главной особенностью ТЭМ с ЯЭДУ, принципиально отличающей его от другой ракетно-космической техники, является высочайший удельный импульс. Применение особой энергоустановки и электроракетного двигателя позволяет получать требуемые параметры тяги при минимальном расходе ядерного топлива. Таким образом, ТЭМ в теории способен решать задачи, недоступные для традиционных ракетных систем на химическом топливе.

Благодаря этому появляется возможность более активного использования маршевых и маневровых двигателей на всем протяжении полета. В частности, это позволяет использовать более выгодные траектории полета к другим небесным телам. 10-летний срок эксплуатации позволяет многократно применять ТЭМ в разных миссиях, сокращая расходы на их организацию. В целом появление систем наподобие ТЭМ с ЯЭДУ даст космонавтике новые возможности во всех основных сферах деятельности.

Штатные двигатели ТЭМ должны использовать только часть электроэнергии от генерирующих систем. Соответственно, остается крупный запас мощности, пригодной для использования целевым оборудованием.

Однако имеются и существенные недостатки. Прежде всего, это необходимость разработки целого ряда новых технологий и общая сложность проекта. Вследствие этого создание ТЭМ требует много времени и соответствующее финансирование. Так, проект «Роскосмоса» разрабатывается около 10 лет, но практическое применение готового ТЭМ все еще относится к отдаленному будущему. Общая стоимость проекта оценивается в 17 млрд рублей.

Применение ядерной энергоустановки приводит к серьезным ограничениям на разных этапах. К примеру, испытания готовой ЯЭДУ или ТЭМ в целом возможны только на орбитах, что позволит минимизировать ущерб от возможных нештатных ситуаций. То же касается и эксплуатации готового транспортно-энергетического модуля.

Обозримое будущее

Согласно последним новостям, разработка проекта «Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса» успешно завершена. Уже готовы некоторые макетные образцы, необходимые для проведения испытаний. В ближайшие годы предприятиям из состава «Роскосмоса» и «Росатома» предстоит провести ряд важнейших работ с этими и другими изделиями.

Летный прототип ТЭМ планируется построить в 2022-23 гг. После этого должны стартовать различные испытания, на которые уйдет несколько лет. Полноценный запуск эксплуатации ТЭМ ожидается в 2030 г.

В конце июня стало известно о подготовке площадки для эксплуатации ТЭМ. Такую технику будут запускать с космодрома Восточный. Не так давно был объявлен конкурс на разработку и строительство комплекса средств для подготовки космических аппаратов и транспортно-энергетического модуля. Конструкторская документация на технический комплекс должна быть разработана в 2025-26 гг. Строительство планируется запустить в 2027-м, а ввод в эксплуатацию состоится в 2030-м. Стоимость контракта – 13,2 млрд рублей.

Таким образом, различные работы по теме перспективной ракетно-космической техники с ЯЭДУ будут продолжаться в течение всего следующего десятилетия. Одним организациям предстоит завершить разработку и провести испытания транспортно-энергетического модуля, тогда как другие будут готовить инфраструктуру для его эксплуатации. По результатам всех этих работ в 2030 г. в распоряжении российской космической отрасли окажется принципиально новая техника с широкими возможностями. Впрочем, сложность всех этапов многообещающей программы может привести к изменению графика.

KIWI из Зоны 25

В США к разработке ЯРД приступили в начале 1960-х. Тогда американцы уже были нацелены на Луну и мечтали о Марсе. А лететь к нему лучше на ядерном двигателе: у него выше тяга, дольше срок эксплуатации и время работы на одном включении. Вернер фон Браун, ставший отцом американской космонавтики, рассчитывал отправить первые пилотируемые миссии на Марс уже в 1980-е.

Работы велись на полигоне в Неваде, в так называемой Зоне 25, что неподалёку от знаменитой Зоны 51. Проект назвали NERVA. Ракеты с ядерными двигателями планировалось использовать не только для полёта к Марсу и к постоянной лунной базе, но и как «буксиры» для снабжения орбитальных станций у Земли и Луны.

В январе 1965 года американцы провели испытания ЯРД под кодовым названием KIWI. Он тоже использовал водород как рабочее тело, но нагревался до 2000 °C. Было произведено 28 пусков, общее время работы составило 115 минут. «Ядерный двигатель подходит для применения космической техники и в состоянии работать с удельным импульсом в два раза большим, чем химическая система», — сделали вывод эксперты NASA.

Добиться невозможного

Славскому идея показалась интересной, и он конфиденциально попросил нескольких физиков-атомщиков изучить возможность реализации подобного проекта. Ответ был совершенно однозначным: «Пустые фантазии!». На ближайшем совещании в Кремле Славский между делом в шутку упомянул об этом — вот, мол, какой ерундой занимаются американцы. Он ожидал, что Хрущев посмеется вместе с ним, однако реакция была совершенно другой. Никита Сергеевич выслушал министра и вдруг неожиданно серьезно сказал: «А почему бы нам не сделать такой автомобиль? Ведь с ледоколом хорошо получилось!» Попытки переубедить генсека не увенчались успехом, Хрущев отмел все возражения взмахом руки: «Если эти физики не могут, найдите других».

И такие физики были найдены. Для проектирования автомобиля, приводимого в движение атомной энергией, было создано Автомобильное конструкторское бюро (АКБ) под руководством Александра Эдуардовича Камнева. АКБ занималось разработкой ядерной силовой установки.

Развитие идеи ядерного ракетного двигателя (ГФЯР)

Дальнейшим развитием идеи ядерного ракетного двигателя является концепция ядерной двигательно-энергетической установки на основе высокотемпературного газофазного реактора – ГФЯР. Как упоминалось ранее, разогрев рабочего тела в ядерного ракетного двигателя с твердофазным реактором ограничен температурой тепловыделяющих элементов и стойкостью их материала. А чем выше температура, тем больше удельный импульс двигателя.

И если использовать газообразное ядерное топливо, то эта проблема снимается. Появляются возможности увеличения удельного импульса до 20-30 км/с при температуре рабочего тела до 12 000 К.

В основе одного из проектов такой установки – высокотемпературный ГФЯР со вспомогательными подвижными твердофазными тепловыделяющими сборками, которые обеспечивают критическую массу ядерного горючего.

В центральной цилиндрической полости ГФЯР – рабочей камере – за счет магнитного поля соленоида, окружающего реактор, формируется малорасходная, “застойная”, зона. Уран, находящийся в ней в газовой фазе, разогревает до температуры выше 9000 К протекающий водород за счет распределенных в газе лучепоглощающих добавок и не смешивается с ним.

Истекающая из сопла плазма обладает высокой электропроводностью и обеспечивает получение электрической энергии во встроенном в сопло МГД-генераторе. Эта энергия необходима для питания соленоида, насосов, подающих рабочее тело, и бортовых систем аппарата. Некоторая часть урана постоянно уносится потоком водорода в окружающее пространство, но система подачи ядерного горючего все время компенсирует его убыль.

Энергоснабжение космического аппарата с ГФЯРД на режиме выключенной рабочей камеры осуществляют две газотурбинные энергоустановки общей мощностью 200 кВт с нагревом рабочего тела в твердофазных тепловыделяющих сборках. По расчетам, такой ГФЯРД будет иметь тягу 17,3 т при давлении в рабочей камере 100 кг/см2 и скорости истечения водорода 20 км/с. Продолжительность работы на номинальном режиме при пяти включениях – около 3,5 ч. Мощность МГД-генератора должна составлять 25 МВт.

Преимущества и недостатки гибридов

Главный плюс гибридного автомобиля — меньший расход топлива. Toyota Prius 2021 года потребляет 4,3 литров бензина на 100 км в смешанном цикле. Сопоставимая по мощности Skoda Octavia 1,6 MPI расходует 7,5 литров топлива в тех же условиях. При среднем годовом пробеге 16 000 км и стоимости бензина 50 рублей за литр машины потратят:

• Skoda Octavia — 7,5 * (16 000 / 100) * 50 = 7,5 * 160 * 50 = 60 000 рублей;
• Toyota Prius — 4,3 * 160 * 50 = 34 400 рублей.

Годовая экономия — 25 600 рублей.

Если учесть, что Toyota Prius может заряжаться от сети и проезжать около 30 км на электротяге, мы получим еще более впечатляющую цифру. Разделив среднегодовой пробег на число рабочих дней в году, получим 60 км в день. Половину из них гибрид проезжает на электричестве, затрачивая 5 кВт*ч энергии. Стоимость одного киловатта в Москве — 5,66 рублей. Тогда затраты равны:

• бензин — 4,3 * (8 000 / 100) * 50 = 17 200 рублей;
• электричество — (8000 / 30) * 5 * 5,66 = 7 550 рублей;
• итого — 17 200 + 7 550 = 24 750 рублей.

Годовая экономия — 35 250 рублей.

Сниженный расход топлива гибридных автомобилей — не единственный плюс. Гибриды дольше обходятся без заправки. Toyota Prius может добраться от Москвы до Санкт-Петербурга без посещения АЗС. Если гибридная машина может двигаться на электротяге, она шумит намного меньше бензиновой — комфортнее как для пассажиров, так и для окружающих. Кроме того, электромотор развивает максимальный крутящий момент на малых оборотах — гибрид быстрее стартует с места.

Минусы исходят из принципа действия гибридного автомобиля. Кроме двигателя внутреннего сгорания, ему требуются электромоторы, батареи, сложные агрегаты в трансмиссии и дополнительные блоки управления. Машина получается намного сложнее и стоит дороже. Стоимость подержанного Prius в нашем примере начинается от 1 миллиона рублей, новой Skoda Octavia — от 800 тысяч рублей, а б/у машины с бензиновым двигателем — от 450-500 тысяч рублей

Часто приходится слышать о том, что гибридные автомобили требуют больше затрат на ремонт. Это популярный миф, расходы на обслуживание даже ниже. Бензиновый двигатель работает в максимально щадящих условиях и изнашивается медленнее. Но проблема с ремонтом существует: в России пока мало автомехаников, которые специализируются на гибридном приводе и электромоторах. Приготовьтесь к тому, что на специализированном СТО будет очередь.

Российские двигатели

В СССР работы по ионным двигателям велись еще с начала 80-х годов. Сегодня в космических аппаратах для коррекции орбиты спутников используются стационарные плазменные двигатели (СПД) производства ОКБ «Факел». Разработкой ионных двигателей также занимается Конструкторское бюро химавтоматики совместно с Московским авиационным институтом.

Исследовательский центр имени М.В. Келдыша (входит в состав Госкорпорации «Роскосмос») рассчитывает провести летные испытания новых ионных двигателей в 2025-2030 годах. Такие двигатели малой мощности будут использоваться в низкоорбитальных малых космических аппаратах, высокой — в тяжелых транспортных системах. Стандартный срок активного существования современной двигательной установки, как и аппарата в целом, — 15 лет.

Ионные двигатели уже внесли свой вклад в освоение космоса, и в ближайшие годы мы увидим еще больше миссий, оснащенных ими. Они могли бы стать первым шагов в освоении Марса в ближайшие десятилетия.