[ezup]

В прошлом ведущие страны вели поиск принципиально новых решений в области двигателей для ракетно-космической техники. Наиболее смелые предложения касались создания т.н. ядерных ракетных двигателей, основой которых являлся реактор с делящимся веществом. В нашей стране работы в этом направлении дали реальный результат в виде опытного двигателя РД0410. Тем не менее, этому изделию так и не удалось найти свое место в перспективных проектах и повлиять на развитие отечественной и мировой космонавтики.

Предложения и проекты

Уже в пятидесятых годах, за несколько лет до запусков первого спутника и пилотируемого космического корабля, были определены перспективы развития ракетных двигателей на химическом топливе. Последнее позволяло получать весьма высокие характеристики, но рост параметров не мог быть бесконечным. В будущем двигатели должны были «упереться в потолок» своих возможностей. В связи с этим для дальнейшего развития ракетно-космических систем требовались принципиально новые решения.

Построенный, но не испытанный ЯРД типа РД0410

В 1955 году академик М.В. Келдыш выступил с инициативой о создании ракетного двигателя особой конструкции, в которой источником энергии выступал бы ядерный реактор. Проработку этой идеи поручили НИИ-1 министерства авиационной промышленности; руководителем работ стал В.М. Иевлев. В кратчайшие сроки специалисты проработали основные вопросы и предложили два варианта перспективного ЯРД с наилучшими характеристиками.

Первый вариант двигателя, обозначенный как «Схема А», предлагал использование реактора с твердофазной активной зоной и твердых поверхностей теплообмена. Второй вариант, «Схема В», предусматривал применение реактора с газофазной активной зоной – делящееся вещество должно было находиться в состоянии плазмы, а тепловая энергия передавалась рабочему телу посредством излучения. Специалисты сравнили две схемы и посчитали вариант «А» более удачным. В дальнейшем именно он прорабатывался активнее всего и даже дошел до полноценных испытаний.

Параллельно с поиском оптимальных конструкций ЯРД шла проработка вопросов создания научной, производственной и испытательной базы. Так, в 1957 году В.М. Иевлев предложил новую концепцию проведения испытаний и доводки. Все основные элементы конструкции должны были проходить проверку на разных стендах, и только после этого их можно было собирать в единую конструкцию. В случае со «Схемой А» такой подход подразумевал создание натурных реакторов для проведения испытаний.

В 1958 году появилось развернутое постановление Совмина, определявшее ход дальнейших работ. Ответственными за разработку ЯРД назначались М.В. Келдыш, И.В. Курчатов и С.П. Королев. В НИИ-1 сформировали особый отдел во главе с В.М. Иевлевым, которому предстояло заниматься новым направлением. Также к работам привлекались несколько десятков научных и проектных организаций. Планировалось участие министерства обороны. Определялся график выполнения работ и прочие нюансы обширной программы.

Впоследствии все участники проекта активно взаимодействовали тем или иным образом. Кроме того, в шестидесятых годах дважды проводились конференции, посвященные исключительно тематике ЯРД и смежным вопросам.

Испытательная база

В рамках программы разработки ЯРД предлагалось применить новый подход к испытаниям и отработке необходимых агрегатов. При этом специалисты столкнулись с серьезной проблемой. Проверка некоторых изделий должна была осуществляться в условиях ядерного реактора, но проведение таких мероприятий было крайне сложным или даже невозможным. Испытаниям могли помешать затруднения экономического, организационного или экологического характера.

Схема тепловыделяющей сборки для ИР-100

В связи с этим были разработаны новые методики испытаний изделий без применения ядерных реакторов. Подобные проверки разделялись на три этапа. Первый предусматривал исследование процессов в реакторе на моделях. Затем узлы реактора или двигателя должны были проходить механические и гидравлические «холодные» испытания. Только после этого узлы следовало проверять в высокотемпературных условиях. Отдельно отработав все компоненты ЯРД на стендах, можно было приступать к сборке полноценного опытного реактора или двигателя.

Для проведения трехэтапных испытаний узлов силами нескольких предприятий разработали и построили различные стенды. Особый интерес представляет техника для высокотемпературных испытаний. При ее разработке пришлось создавать новые технологии нагрева газов. С 1959 по 1972 годы НИИ-1 разработал целый ряд плазмотронов высокой мощности, обеспечивавших нагрев газов до 3000°K и позволявших проводить высокотемпературных испытаний.

Специально для отработки «Схемы В» пришлось разрабатывать еще более сложные устройства. Для таких задач требовался плазмотрон с выходным давлением в сотни атмосфер и температурой 10-15 тыс. град K. К концу шестидесятых годов появилась технология нагрева газа на основе его взаимодействия с пучками электронов, позволившая получить требуемые характеристики.

Постановление Совмина предусматривало строительство нового объекта на Семипалатинском полигоне. Там следовало построить испытательный стенд и опытный реактор для дальнейшего тестирования тепловыделяющих сборок и других компонентов ЯРД. Все основные сооружения были построены к 1961 году, и тогда же состоялся первый пуск реактора. Затем полигонное оснащение несколько раз дорабатывалось и совершенствовалось. Для размещения реактора и персонала предназначались несколько подземных бункеров с необходимой защитой.

По сути, проект перспективного ЯРД был одним из самых смелых начинаний своего времени, и потому привел к разработке и строительству массы уникальных устройств и приборов испытательного назначения. Все эти стенды позволили провести массу экспериментов и собрать большой объем данных разного рода, пригодных для развития различных проектов.

«Схема А»

Еще в конце пятидесятых наиболее удачной и перспективной посчитали вариант двигателя типа «А». Эта концепция предлагала строительство ЯРД на основе реактора с теплообменниками, отвечающими за нагрев газообразного рабочего тела. Выброс последнего через сопло должен был создавать требуемую тягу. При всей простоте концепции, реализация таких идей была связана с рядом сложностей.

Макет ТВС для реактора ИР-100

Прежде всего, проявилась проблема выбора материалов для строительства активной зоны. Конструкция реактора должна была выдерживать высокие тепловые нагрузки и сохранять требуемую прочность. Кроме того, она должна была пропускать тепловые нейтроны, но при этом не терять характеристики из-за ионизирующего излучения. Также ожидалось неравномерное тепловыделение в активной зоне, что предъявляло новые требования к ее конструкции.

Для поиска решений и отработки конструкции в НИИ-1 организовали специальную мастерскую, которой предстояло делать модельные тепловыделяющие сборки и другие компоненты активной зоны. На этом этапе работы были проверены различные металлы и сплавы, а также иные материалы. Для изготовления ТВС могли применяться вольфрам, молибден, графит, высокотемпературные карбиды и т.д. Также осуществлялся поиск защитных покрытий, предотвращающих разрушение конструкции.

В ходе экспериментов были найдены оптимальные материалы для изготовления отдельных компонентов ЯРД. Кроме того, удалось подтвердить принципиальную возможность получения удельного импульса порядка 850-900 с. Это давало перспективному двигателю высочайшие характеристики и существенное преимущество перед системами на химическом топливе.

Активная зона реактора представляла собой цилиндр длиной около 1 м и диаметром 50 мм. При этом предусматривалось создание 26 вариантов ТВС с теми или иными особенностями. По итогам последующих испытаний выбрали наиболее удачные и эффективные. Найденная конструкция ТВС предусматривала применение двух топливных композиций. Первая представляла собой смесь урана-235 (90%) с ниобием или карбидом циркония. Такая смесь формовалась в виде четырехлучевого витого стержня длиной 100 мм и диаметром 2,2 мм. Вторая композиция состояла из урана и графита; она выполнялась в виде шестигранных призм длиной 100-200 мм с 1-мм внутренним каналом, имевшим облицовку. Стержни и призмы помещались в герметичном теплостойком металлическом корпусе.

Испытания сборок и элементов на Семипалатинском полигоне начались в 1962 году. За два года работ состоялся 41 пуск реактора. Прежде всего, удалось найти наиболее эффективный вариант содержимого активной зоны. Также были подтверждены все основные решения и характеристики. В частности, все узлы реактора справились с тепловыми и радиационными нагрузками. Таким образом, было установлено, что разработанный реактор способен решать свою основную задачу – нагревать газообразный водород до 3000-3100°K при заданном расходе. Все это позволяло приступать к разработке полноценного ядерного ракетного двигателя.

11Б91 на «Байкале»

В начале шестидесятых стартовали работы по созданию полноценного ЯРД на основе имеющихся изделий и наработок. В первую очередь в НИИ-1 изучили возможность создания целого семейства ракетных двигателей с разными параметрами, пригодного для использования в разных проектах ракетной техники. Из этого семейства первым решили проектировать и строить двигатель малой тяги – 36 кН. Такое изделие в дальнейшем можно было бы использовать в перспективном разгонном блоке, пригодном для отправки космических аппаратов к другим небесным телам.

Реактор ИРГИТ во время сборки

В 1966 году НИИ-1 и Конструкторское бюро химавтоматики начали совместные работы по формированию облика и проектированию будущего ЯРД. Вскоре двигатель получил индексы 11Б91 и РД0410. Основным его элементом являлся реактор, названный ИР-100. Позже реактору присвоили название ИРГИТ («Исследовательский реактор для групповых исследований ТВЭЛ»). Изначально планировалось создать два отличающихся ЯРД. Первый представлял собой экспериментальное изделие для проверки на полигоне, а второй являлся летным образцом. Однако в 1970 году два проекта объединили с прицелом на проведение полигонных испытаний. После этого ведущим разработчиком новой системы стало КБХА.

С использованием наработок по предварительным исследованиям в области ЯРД, а также с применением существующей испытательной базы удалось в краткие сроки определить облик будущего 11Б91 и начать полноценное техническое проектирование.

Параллельно создавался стендовый комплекс «Байкал» для проведения будущих испытаний на полигоне. Новый двигатель предлагалось испытывать в подземном сооружении с полным набором защиты. Предусматривались средства сбора и отстаивания газообразного рабочего тела. Во избежание выбросов радиации газ должен был выдерживаться в газгольдерах, и только после этого его можно было стравливать в атмосферу. В связи с особой сложностью работ комплекс «Байкал» строился около 15 лет. Последние его объекты достраивались уже после начала испытаний на первых.

В 1977 году на комплексе «Байкал» ввели в эксплуатацию второе рабочее место для опытных установок, оснащенное средствами подачи рабочего тела в виде водорода. 17 сентября выполнили физический пуск изделия 11Б91. 27 марта 1978-го состоялся энергетический пуск. 3 июля и 11 августа провели два огневых испытания с полноценной работой изделия в качестве ЯРД. В этих тестах реактор постепенно выводился на мощность 24, 33 и 42 МВт. Водород удалось нагреть до 2630°K. В начале восьмидесятых годов состоялись испытания двух других опытных образцов. Они показывали мощность до 62-63 МВт и нагревали газ до 2500°K.

Проект РД0410

На рубеже семидесятых и восьмидесятых годов речь шла о создании полноценного ЯРД, полностью пригодного для установки на ракеты или разгонные блоки. Был сформирован окончательный облик такого изделия, а испытания на Семипалатинском полигоне подтвердили все основные расчетные характеристики.

Готовый двигатель РД0410 заметным образом отличался от существующих изделий. Его отличали состав агрегатов, компоновка и даже внешний вид, обусловленный иными принципами работы. Фактически РД0410 разделялся на несколько основных блоков: реактор, средства подачи рабочего тела и теплообменник и соплом. Компактный реактор занимал центральное положение, а рядом с ним помещались остальные устройства. Также ЯРД нуждался в отдельном баке для жидкого водорода.

Общая высота изделия РД0410 / 11Б91 достигала 3,5 м, максимальный диаметр – 1,6 м. Масса с учетом радиационной защитой – 2 т. Расчетная тяга двигателя в пустоте достигала 35,2 кН или 3,59 тс. Удельный импульс в пустоте – 910 кгс•с/кг или 8927 м/с. Двигатель можно было включить 10 раз. Ресурс – 1 ч. Путем тех или иных доработок в дальнейшем можно было повысить характеристики до требуемого уровня.

Известно, что нагретое рабочее тело такого ЯРД имело ограниченную радиоактивность. Тем не менее, после испытаний его отстаивали, а район нахождения стенда приходилось закрывать на сутки. Применение подобного двигателя в атмосфере Земли считалось небезопасным. В то же время, его можно было использовать в составе разгонных блоков, начинающих работу за пределами атмосферы. После использования такие блоки следовало отправлять на орбиту захоронения.

Еще в шестидесятых годах появилась идея создания энергоустановки на базе ЯРД. Разогретое рабочее тело можно было подавать на турбину, соединенную с генератором. Такие энергоустановки представляли интерес для дальнейшего развития космонавтики, поскольку позволяли избавиться от существующих проблем и ограничений в сфере выработки электричества для бортовой аппаратуры.

В восьмидесятых годах идея энергоустановки дошла до стадии проектирования. Прорабатывался проект такого изделия на основе двигателя РД0410. Один из опытных реакторов ИР-100 / ИРГИТ задействовали в опытах на эту тему, в ходе которых он обеспечил работу генератора мощностью 200 кВт.

Новая обстановка

Основные теоретические и практические работы по тематике советского ЯРД с твердофазной активной зоной завершились к середине восьмидесятых годов. Промышленность могла начинать разработку разгонного блока или иной ракетно-космической техники под существующий двигатель РД0410. Однако подобные работы так и не удалось начать вовремя, а вскоре их старт стал невозможным.

В это время у космической отрасли уже не хватало ресурсов для своевременной реализации всех планов и задумок. Кроме того, вскоре началась печально известная Перестройка, поставившая крест на массе предложений и наработок. По репутации ядерных технологий серьезно ударила чернобыльская авария. Наконец, в тот период не обошлось без проблем политического характера. В 1988 году все работы по теме ЯРД 11Б91 / РД0410 были остановлены.

По разным данным, как минимум, до начала двухтысячных годов некоторые объекты комплекса «Байкал» все еще оставались на Семипалатинском полигоне. Мало того, на одном из т.н. рабочих мест по-прежнему находился опытный реактор. КБХА успело изготовить полноценный двигатель РД0410, пригодный для установки на будущий разгонный блок. Впрочем, техника для его использования так и осталась в планах.

После РД0410

Наработки по теме ЯРД нашли применение в новом проекте. В 1992 году ряд российских предприятий совместными усилиями разработал двухрежимный двигатель с твердофазной активной зоной и рабочим телом в виде водорода. В режиме ракетного двигателя такое изделие должно развивать тягу 70 кН с удельным импульсом 920 с, а энергетический режим обеспечивает 25 кВт электрической мощности. Такой ЯРД предлагался для использования в проектах межпланетных космических аппаратов.

К сожалению, в то время обстановка не располагала к созданию новой и смелой ракетно-космической техники, и потому второй вариант ядерного ракетного двигателя остался на бумаге. Насколько известно, отечественные предприятия по-прежнему проявляют определенный интерес к тематике ЯРД, но реализация таких проектов пока не представляется возможной или целесообразной. Тем не менее, нельзя не отметить, что в рамках предыдущих проектов советские и российские ученые и инженеры смогли накопить значительный объем информации и получить важнейший опыт. Это означает, что при появлении потребности и соответствующего заказа в нашей стране может быть создан новый ЯРД по типу испытывавшегося в прошлом.

По материалам:
http://kbkha.ru/
https://popmech.ru/
http://cosmoworld.ru/
http://tehnoomsk.ru/
Акимов В.Н., Коротеев А.С., Гафаров А.А. и др. Исследовательский центр имени М. В. Келдыша. 1933-2003: 70 лет на передовых рубежах ракетно-космической техники. – М: «Машиностроение», 2003.

Автор:

Рябов Кирилл