103160, г.Москва, ул. Профсоюзная, д.84/328(499)794-83-06

Ядерные двигатели для Космоса

13.11.2018

        В России прошли наземные испытания системы охлаждения космической ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса. Это серьезный этап проекта по созданию космического транспортного комплекса нового поколения. Когда и куда полетим на ядерном "движке"? Зачем нужен ракетный двигатель на метане и… йоде? Какие агрегаты двигателей можно "вырастить" с помощью 3D-технологий? Об этом "Российская газета" ("РГ") беседует с генеральным директором "Центра Келдыша" доктором технических наук Владимиром Кошлаковым.

        Владимир Владимирович, как вы прокомментируете испытания?
Владимир Кошлаков: Прошли успешно. Создан хороший задел, чтобы двигаться дальше.
        Какие возможности открывает ядерный двигатель? Он нужен для полетов к Марсу? Рогозин объявил о запуске новой ракеты "Союз-5" в 2023 году.
Владимир Кошлаков: Не только. Сегодня космические аппараты летают либо на двигателях, работающих на химическом топливе, либо на маломощных электроракетных двигателях, питаемых от солнечных батарей. Но с помощью таких систем к тому же Марсу лететь очень долго. Для пилотируемых полетов это плохо: человек не должен находиться в космическом пространстве больше, чем год-два. А ядерные энергодвигательные системы позволят долететь достаточно быстро. И, что самое главное, вернуться назад. Эти системы особенно перспективны для межорбитальных, межпланетных перелетов, освоения дальних планет.
        Говорят, на ядерном движке до Марса можно долететь едва ли не пулей - за полтора месяца?
Владимир Кошлаков: Это преувеличение. Несколько дней до Луны - да, а до Марса полет займет 7-8 месяцев.
        Ваш прогноз: когда это все-таки может осуществиться?
Владимир Кошлаков: Технически это осуществимо в ближайшее время, однако полет на Марс не самоцель. Создаваемые энергодвигательные системы могут быть основой для целого ряда миссий в космосе, которые сейчас кажутся фантастическими.
        А когда начнутся летные испытания? Была информация, что чуть ли не в конце этого года?
Владимир Кошлаков: До этого еще далеко. Мы ведем проект с 2009 года. Он уникальный, уникальные технологии. Требовалось решить огромное количество научно-технических и технологических задач, которые не решил еще никто в мире. Это создание высокотемпературных систем сброса тепла в космическом пространстве, систем преобразования энергии, электроплазменных двигателей больших мощностей, высокотемпературных элементов и материалов... На сегодняшний момент сделано многое. Самое принципиальное: мы показали когда ставишь такие высокие планки, то результаты обязательно будут. И, поверьте, они превысят современный уровень развития науки и техники.
        Испытания проходят на базе Центра?
Владимир Кошлаков: Да. У нас создана стендовая база, аналогов которой нет в России. Она позволяет проводить отработку всех ключевых элементов энергодвигательных систем и космических аппаратов в целом.
        Что называется, на пальцах можете объяснить, из чего состоит ядерный двигатель?
Владимир Кошлаков: Прежде всего из источника энергии - это ядерный реактор, который нагревает рабочее тело. Нагретое рабочее тело поступает на турбину, на одном валу с которой находится электрогенератор. Вращая турбину, мы генерируем электрический ток, который необходим для обеспечения работы космического аппарата в целом и электроплазменных двигателей в частности. Тяга электроплазменного двигателя - это движущая сила космического аппарата как транспортной системы.
        А что за уникальный теплоноситель используется?
Владимир Кошлаков: Гелий-ксеноновая смесь. Его основное преимущество - химическая нейтральность по отношению к материалам. Ведь аппарат должен длительное время работать при запредельно высоких и низких температурах. Плюс ряд других теплофизических характеристик, которые позволяют создавать оптимально эффективный контур, снизить массу и габариты реактора, теплообменных агрегатов.
        Какими еще перспективными ракетными двигателями занимаются конструкторы?
Владимир Кошлаков: У нас ведутся научно-исследовательские, поисковые работы по созданию перспективных ракетных двигателей всех типов. Не только жидкостных, но и электроплазменных, гиперзвуковых и других. Например, много говорят о кислородно-метановом двигателе или просто метановом. Эти работы также зарождались в нашем институте. Проведен большой комплекс экспериментальных исследований различных физических процессов. И на сегодняшний момент Россия близка к созданию метанового двигателя.
        А зачем он нужен?
Владимир Кошлаков: Метановый двигатель перспективен с нескольких точек зрения. Прежде всего в отличие от керосина он содержит в себе меньше связанных углеродсодержащих веществ. То есть практически не выделяет сажи. Если мы говорим про многоразовые системы, то это очень важно: двигатель не нужно перед каждым циклом включения очищать, промывать.
Еще одно преимущество - температура криогенного метана и криогенного кислорода примерно одинакова. Поэтому можем упрощать конструкцию ракет, создавая совмещенные баки, когда между двумя компонентами всего одна стенка. В кислород-керосинной ракете две стенки, поскольку температура керосина примерно плюс 20 градусов Цельсия, а жидкого кислорода - минус 170. Поэтому ее конструкция и тяжелее, и сложнее. Кроме того, метан - достаточно дешевое топливо. Тоже большой плюс. “Ракета улетела, вернулась - и через 48 часов ее можно заново пускать с тем же двигателем. Вот те планки, которые ставит перед нами рынок
        На каких ракетах будет устанавливаться этот ракетный двигатель?
Владимир Кошлаков: На новых, перспективных ракетах, проработки которых еще только ведутся.
        А на ракете "Союз-5", которая должна быть создана к 2022 году? На "сверхтяже", первый запуск которой планируется в 2028 году?
Владимир Кошлаков: Нет. На ракете "Союз-5" и "сверхтяже", в котором будут использованы элементы и технологии "Союза-5", планируется устанавливать двигатели, которые уже есть либо имеют значительный задел по основным элементам.
        Когда реально может появиться метановый двигатель?
Владимир Кошлаков: Опытно-конструкторские работы должны завершиться в течение пяти лет. Они сейчас ведутся в воронежском КБ химавтоматики.
        А что за первый в мире электроракетный двигатель с замкнутым дрейфом электронов, известный также как холловский двигатель, на 800 вольт разработан в "Центре Келдыша"?
Владимир Кошлаков: Электроплазменными двигателями мы занимаемся давно. Не только разрабатываем, но и производим. Они летают и на отечественных, и на зарубежных космических аппаратах. Так вот исследования показали: повышение напряжения в электроракетном двигателе с традиционных 300 вольт до 500 и 800 позволяет существенно улучшить его энергетические характеристики. И мы сейчас проводим работы по созданию двигателей, работающих при больших напряжениях. Фактически электроракетные двигатели холловского типа с таким напряжением приближаются к ионным.
        Насколько я знаю, интерес к плазменным двигателям огромный во всем мире?
Владимир Кошлаков: Они наилучшим образом отвечают современным задачам в космосе.
        Интересно, а у каких из альтернативных ракетных топлив наиболее "светлое" будущее?
Владимир Кошлаков: Альтернативы электрическим двигателям для космических аппаратов, наверное, все-таки нет. Сегодня, кроме ксенона, рассматриваются различные топлива. Конечно, аргон - как наиболее простой и дешевый. Криптон, который по своим характеристикам лучше ксенона, но тоже не дешевый. Ведутся проработки по использованию в качестве ракетного топлива йода. Здесь преимущество в том, что йод можно хранить в твердом состоянии. Это компактнее - меньше масса. Но эти работы также находятся в стадии научно-исследовательских работ для создания задела. Проектов много. Повторюсь, на острие - ядерная тематика. Это самое перспективное направление. И мы здесь не на последних ролях.
        Кто главные наши конкуренты: Blue Origin, SpaceX?..
Владимир Кошлаков: Пожалуй, только США. Если говорить про жидкостные ракетные двигатели, то, конечно, большой задел в США, Китае. Хотя те же США покупают эти двигатели у нас. РД-180 разработки "НПО Энергомаш", на мой взгляд, лучшие в мире: линейка этих двигателей покрывает весь рынок таких двигателей по своим характеристикам и цене. Но мир на месте не стоит. Новые материалы, технологии и конструкторские решения появляются и за рубежом. Конкуренция растет. Поэтому у нас ведутся проработки по созданию дешевых коммерческих носителей, которые бы по своей стоимости и надежности не уступали западным. Это одна из основных задач, поставленных перед нами руководством "Роскосмоса".
        Новые российские двигатели изначально разрабатываются как многоразовые?
Владимир Кошлаков: Многоразовость ставится во главу угла. Однако требуется рациональный подход. Двигатели должны быть ремонтопригодными, иметь большое количество включений без вмешательства человека. Фактически, создав двигатель, мы могли бы "прокатать" его столько, сколько надо, на экспериментальном стенде. Подтвердить его надежность. И все. Двигатель консервируют: больше доступа человека к нему не должно быть. Это одно из требований, которое мы рассматриваем при создании новых двигателей.
        Сколько включений самое оптимальное?
Владимир Кошлаков: Вопрос открытый. На днях у нас прошла конференция по актуальным проблемам ракетного двигателестроения. Выступал генеральный директор S7 Space г-н Сопов. Он сказал: мне нужны двигатели, которые могли бы включаться 100 раз. При этом межполетный интервал - каждые десять включений. То есть десять раз отработал - специалисты посмотрели, провели регламент, пошли дальше. А время между двумя включениями не должно быть больше 48 часов. То есть ракета улетела, вернулась - и через 48 часов ее можно заново пускать с тем же двигателем. Вот те планки, которые ставит перед нами рынок.
        Они достижимы?
Владимир Кошлаков: Они реализуемы. Надо работать.
        Знаю, что у вас в институте функционирует Центр по применению нанотехнологий в энергетике и электроснабжении космических систем. Что делается для повышения надежности космической техники?
Владимир Кошлаков: У наших ученых есть возможность достаточно глубоко заглянуть в физические процессы, которые протекают в двигателях. Приведу пример: при нанесении покрытия на огневую стенку камеры сгорания произошло отслоение покрытия. Запас работоспособности двигателя при этом, естественно, снижается. Оказалось, был секундный перебой с электроэнергией, и процесс образования защитной пленки прекратился. Электричество включилось, но внутри покрытия образовалась граница раздела. Она-то и стала причиной отслоения. Исследование объектов размерами с нанометр, определение структурного и фазового состояния материала, анализ межкристаллитных процессов - далеко не полный перечень возможностей оборудования.
Лазерное зажигание - еще одно из направлений повышения надежности. Кроме того, мы активно развиваем программно-методическое обеспечение, которое могло бы смоделировать работу двигателя и найти узкие места еще до постановки в ракету.
         Насколько снижает вес мотора применение композитов?
Владимир Кошлаков: Очень серьезно. Чтобы было понятно: плотность углеродных материалов - 1,2-1,4 грамма на кубический сантиметр. Плотность алюминия - 2,7, а стали - 7,8. Считайте. Меньше плотность - соответственно, меньше вес. Дело еще в том, что при высоких температурах прочностные характеристики металлов снижаются, поэтому мы вынуждены дополнительно утолщать стенки, что тоже ведет к повышению веса. А у углеродных материалов с повышением прочности физико-механические характеристики только становятся лучше.
        Много говорят об аддитивных технологиях. Скажите, где их применение актуально?
Владимир Кошлаков: Практически в любых изделиях. Например, изготовление форсуночной головки двигателя с помощью аддитивных технологий позволяет сделать целиком одну деталь. А традиционные методы включают более 200 элементов! И все надо отдельно изготовить, спаять, сварить, собрать. Что тоже ограничивает пределы работоспособности двигателя.
Правда, к аддитивным технологиям надо относиться аккуратно. Об этом говорят исследования: мы заглянули внутрь как самих изделий, так и каждой "порошинки". Иногда "порошинки" между собой не свариваются, не сплавляются - надо подбирать правильный режим работы, будь то лазерный пучок или электронный луч в этих станках. Но вообще аддитивные технологии очень перспективны: способствуют цифровизации производства, ускоряют процесс, устраняют человеческий фактор.
        Сколько времени уходит на создание "звездного мотора"?
Владимир Кошлаков: В среднем на создание опытного образца - 5-7 лет.
        У американских частников дело быстрее идет?
Владимир Кошлаков: Если вы имеете в виду Илона Маска, то он создал свою ракету на базе старых, давно разработанных и использованных двигателей. Он поступил как коммерсант: взял готовое отработанное решение и успешно его применил. При этом хотел бы отметить, что без поддержки государства не обошлось.
        P.S. "Центру Келдыша" исполнилось 85 лет. Это одно из ведущих предприятий "Роскосмоса", работающее в области ракетного и спутникового двигателестроения, космической энергетики. Поздравляем!
        Текст: Наталия Ячменникова
Труженики космоса,© 2010-2013
ОСОО "Союз ветеранов Космических войск"
Разработка и поддержка
интернет-портала - ООО "Сокол"