Ядерное будущее космонавтики

В 1965 году Конструкторское бюро химавтоматики приступило к разработке ядерного ракетного двигателя (ЯРД). В работах были задействованы ИЦ им. М.В. Келдыша, Курчатовский и Физико-энергетический институты, НПО «Луч».

 В этот же период времени подобные работы с большим размахом проводились в США по проекту Nerva.

Отечественная концепция создания ЯРД с самого начала отличалась от американской своими подходами:

- получение максимально возможного предельного импульса тяги;

- обеспечение минимальных затрат на создание ЯРД.

С использованием наработанных материалов и исследований, проведенных ИЦ им. М.В. Келдыша, Курчатовского института, Физико-энергетического института, ВНИИНМ им. А.А. Бочвара, НПО «Луч» АО «КБХА» в 1968 году разработало аванпроект ЯРД РД0410 тягой 3,6 тс и эскизный проект двигателя РД0411 тягой 40 тс.

По экономическим соображениям к дальнейшей разработке был принят двигатель РД0410 минимальной тяги, тем более, что он мог выводиться на орбиту с помощью существующей РН «Протон».

В основу конструкции реактора двигателя на тепловых нейтронах положена гетерогенная схема. При таком решении материал замедлителя расположен отдельно от тепловыделяющих элементов (твэлов), содержащих делящееся вещество. Твэлы окружены теплоизоляцией и корпусом, образуя самостоятельный узел – тепловыделяющую сборку (ТВС).

Проблемы, возникшие при проектировании двигателя РД0410, связаны прежде всего с созданием высокотемпературного газоохлаждаемого реактора с высокой плотностью энерговыделения, имеющего жесткие ограничения по диаметру и массе, а также с созданием материала замедлителя, способного выдерживать термические напряжения ~ 8 кгс/мм2. Определенные трудности также были связаны с созданием впервые в практике КБХА высоконадежных систем насосной подачи жидкого водорода, агрегатов управления и регулирования многоразового действия.

По результатам испытаний «холодного» двигателя на режимах 0,7-1,1 номинальной мощности показана работоспособность принятой пневмогидравлической схемы двигателя при заложенных при проектировании давления рабочего тела перед соплом, КПД насосов и турбин, гидравлического сопротивления проточного тракта, соотношения давлений рабочего тела до и после турбины, температуры рабочего тела перед турбиной. По результатам огневых испытаний стендового прототипа реактора показана возможность реализации заданного подогрева рабочего тела в корпусе, блоках замедлителя и отражателя реактора и удовлетворительной равномерности поля температур материалов замедлителя и отражателя, а также водорода на выходе из них.

Несмотря на то, что в США работы по ЯРД начались значительно раньше, разработанные у нас в стране принципиальные подходы к созданию ЯРД не только не повторяли их решения, но и оказались столь плодотворными, жизнеспособными, гибкими и экономичными, что на более поздних этапах своих разработок американскими коллегами эти принципы также были восприняты. Так, Лос-Аламосской лабораторией был спроектирован ЯРД (SNRE – малый ЯРД) с реактором Nтепл. = 370 МВт с замедлителем из гидрида циркония и твэлами на основе UC-ZrC-C.

Успешное проведение испытаний ТВС в реакторе ИВГ-1, разработанным НИКИЭТ им. М.А. Доллежаля, позволило перейти к следующему этапу отработки – автономным испытаниям реактора ЯРД. Стендовая отработка реактора ЯРД тягой 3,6 тс проводилась в составе специально спроектированного стендового прототипа реактора ИРГИТ на втором «А» рабочем месте испытательного комплекса «Байкал» (Семипалатинский ядерный полигон, как и реактор ИВГ-1).

В 1977-1981 годах проведены физический и энергетические пуски реактора и огневые на трех образцах изделия ИРГИТ.

Результаты многочисленных исследований показали, что наиболее рациональным является комплексное использование энергетических возможностей, представляемых ядерным реактором как в режиме создания тягового усилия (ЯРД), так и в режиме энергообеспечения потребностей космического корабля (ЯЭУ) в составе комбинированной двигательно-энергетической установки. Эффективность использования ЯЭДУ возрастает с ростом потребных электрических мощностей, и при значениях, равных     40-50 кВт, становится решающей по сравнению с солнечными батареями.

До 1997 года проведено большое количество исследований и проектных проработок, в том числе с участием разработчиков космических аппаратов с транспортно-энергетическими модулями (КА радиолокационного наблюдения на геосинхронной орбите разработки НПО Машиностроения, исследования применения ЯЭУ в перспективных автоматических КА разработки РКК «Энергия», проект системы глобальной спутниковой связи, теле- и радиовещания «Спейс-Стар» на основе ТЭМ разработки НПО Прикладной механики, КА связи с подвижными объектами разработки ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, ТЭМ для РН «Союз-2» и «Зенит» разработки НПО им. С.А. Лавочкина) которые показали,  что интерес к использованию ядерной энергии в космосе возрастает. В частности, выполнена концептуальная разработка ЯРД лунного буксира многоразового использования, выполненная коллективом российских специалистов с участием французских специалистов Ядерного исследовательского центра Сакле в рамках совместного проекта.