Роль М.В.Келдыша в развитии работ по ядерным ракетным двигателям
и энергоустановкам большой мощности
Виталий Михайлович Иевлев,
Исследовательский центр им.М.В.Келдыша
Перспективы развития ракетно-космической техники связаны главным образом с проблемой поиска и использования новых, более эффективных источников энергии для ракетных двигателей. Большое внимание этому вопросу постоянно уделял М.В. Келдыш. В частности, он организовывал и направлял соответствующие работы в НИИ‑1, являясь начальником, а затем научным руководителем института. В НИИ‑1 наряду с работами по новым топливам для ЖРД в лаборатории, возглавляемой А.П. Ваничевым, в 1955‑1956 гг. были начаты поисковые исследования возможностей и путей использования ядерной энергии в ракетных двигателях — ЯРД.
Удельное энерговыделение в ядерных реакциях в миллионы раз превосходит удельное энерговыделение при сжигании химических топлив. Поэтому в ЯРД, в отличие от ЖРД, достижимый удельный импульс тяги определяется не энергетическими возможностями топлива, а схемой его энергопреобразования, характеристиками материалов тепловыделяющих элементов и пр. Этим же определяется и масса двигателя. Поэтому в начале работы НИИ‑1 по ЯРД основное внимание было уделено анализу различных схем двигателей, как известных, так и разрабатывавшихся заново. Исследовались ЯРД различных схем:
- с твердой, жидкой, псевдоожиженной и газообразной активными зонами реакторов;
- стационарного и импульсного действия;
- с прямыми методами передачи энергии истекающему из сопла рабочему телу;
- с различными более сложными системами преобразования энергии, например с использованием МГД-генератора.
Были выбраны схемы двигателей, подлежащие более подробной разработке. К их числу относились ЯРД:
- с нагревом рабочего тела в высокотемпературном реакторе с твердой активной зоной (схема "А");
- с газофазной (плазменной) активной зоной с гидродинамическим и магнито-гидродинамическим методами стабилизации зоны ядерного топлива в реакторе (схема "В");
- с центробежным удержанием ядерного топлива (с псевдоожиженной активной зоной);
- импульсного действия (с толканием ракеты или КА при помощи серии ядерных взрывов ограниченной мощности). Также были выбраны схемы электроядерных двигателей нескольких типов.
В дальнейшем работы могли быть развиты только по наиболее перспективным схемам.
После завершения первого этапа поисковых исследований, в связи с выявлением перспективных для дальнейшей разработки схем двигателей, М.В. Келдыш вывел исследования НИИ‑1 по ЯРД за пределы института, организовал широкое обсуждение полученных результатов и необходимую кооперацию для дальнейшего проведения работ. Состоялись многократные обсуждения этих вопросов с участием М.В. Келдыша и И.В. Курчатова, затем также с участием С.П. Королева, В.П. Глушко, А.П. Александрова, А.И. Лейпунского и др.
Необходимо отметить, что очень большое значение для развития работ по ЯРД имела активная заинтересованность ими И.В. Курчатова.
По инициативе М.В. Келдыша, И.В. Курчатова и С.П. Королева было подготовлено и принято в 1958 г. первое постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР о развитии работ по ЯРД. Они были назначены научными руководителями этих работ, благодаря чему работы по ЯРД получили широкое развитие.
М.В. Келдыш, А.И. Лейпунский, В.М. Иевлев, И.В. Курчатов, А.П. Александров, Ю.А. Трескин. 1959 г.
По предложению И.В. Курчатова и С.М. Фейнберга, поддержанному М.В. Келдышем, был построен специальный реактор взрывного действия (РВД, современное название — ИГР, исследовательский графитовый реактор) для петлевых испытаний тепловыделяющих элементов ЯРД. Проект реактора был выполнен под руководством Н.А. Доллежаля, петлевые системы и первые экспериментальные образцы тепловыделяющих сборок созданы в НИИ‑1.
В 1962‑1964 гг. в результате совместных работ НИИ‑1 и ИАЭ при петлевых испытаниях экспериментальных тепловыделяющих сборок был достигнут нагрев рабочего тела (водорода с добавками углеводородов) до 3000‑3100 К при общем времени работы одной сборки более 150 с. В это же время успешно развивались проектно-исследовательские работы по ЯРД в КБ В.П. Глушко и КБ М.М. Бондарюка, активно проводились работы по электроядерным двигателям.
Работы по ЯРД не могли развиваться без создания экспериментальной базы и специального производства. М.В. Келдыш уделял постоянное внимание этой работе. В НИИ‑1 была создана уникальная экспериментальная база, позволявшая проводить модельные исследования и исследования элементов ЯРД схем "А", "В", электроядерных двигателей. Эта база позволяла заменить тепловыделение в реакторе электронагревом мощностью до 80 тыс. кВт (постоянного тока) и проводить испытания узлов ЯРД и ЯЭУ и исследования процессов в условиях, близких к натурным (по составу рабочих сред, температурам, тепловым нагрузкам и др.), а также обеспечивала испытания натурных элементов, в том числе содержащих уран. В ходе создания базы были отработаны некоторые агрегаты и устройства, нашедшие самостоятельное применение. К их числу относятся плазмотроны, магнитные системы, устройства с выводом мощного электронного пучка в атмосферу.
В последующие годы на стендах НИИ‑1 (НИИТП) были проведены всесторонние исследования процессов и испытания основных узлов и других элементов конструкции применительно к ЯРД схем "А", "В" и к электроядерным двигателям.
Решающее значение для создания ЯРД имело строительство реакторной стендовой базы на полигоне МО СССР. Были развернуты широкие исследования по определению наиболее рациональных путей создания стендов. По инициативе М.В. Келдыша в НИИТП было организовано специальное подразделение, определена необходимая кооперация, выполнены проектные разработки, обеспечившие развитие работ по созданию экспериментальной базы.
Результатом исследований ЯРД и путей их стендовой отработки, проведенных в НИИТП, ИАЭ, ФЭИ, ПНИТИ, развития работ по ЯРД схемы "А" в КБ А.Д. Конопатова и по ЯРД схемы "В" в КБ В.П. Глушко явились подготовка и выпуск в 1968 и 1971 г. постановлений ЦК КПСС и Совета Министров СССР о создании на востоке нашей страны специализированной стендовой базы, разработке проектов ЯРД и создании их стендовых прототипов.
Работы, начатые под руководством М.В. Келдыша, были развиты в последующие годы. Они выполнялись совместно организациями МОМ, МСМ, МО и др.
К настоящему времени в наибольшей степени продвинуты работы по ЯРД и ЯЭУ на основе реактора с твердыми поверхностями теплообмена. Выполнены проектные разработки двигателя 11Б91 тягой 36 кН и удельным импульсом 9100 м/с на водороде. Разработан и создан стендовый прототип двигателя 11Б91‑ИР.100.
Для изготовления реактора двигателя и его стендового прототипа пришлось создавать новые материалы, разрабатывать многочисленные новые технологические процессы, а также специальные производственные участки.
Все основные узлы двигателя и его стендового прототипа были отработаны при автономных испытаниях с водородом в качестве рабочего тела, температура которого при натурном ресурсе работы достигает приблизительно 3000 К.
Было завершено строительство первой очереди стендовой базы. В 1978‑1979 гг. при первых натурных испытаниях стендового прототипа двигателя 11Б91‑ИР.100 была достигнута температура водорода примерно 2600 К и мощность реактора около 50 тыс. кВт. Теоретические исследования показали возможность создания на основе реактора 11Б91‑ИР.100 бортовых ядерных энергоустановок открытой схемы электрической мощностью несколько десятков, сотен мегаватт и бортовых ядерных энергоустановок замкнутой схемы с большим ресурсом работы и электрической мощностью в десятки киловатт.
ЯРД и ЯЭУ схемы "А" подготовлены к опытно-конструкторской разработке.
Особое значение для перспектив развития ракетно-космической техники имеют работы по ЯРД и ЯЭУ схемы "В". Газофазный реактор позволит обеспечить нагрев рабочего тела до температуры 8000‑10000 К. Согласно проектным проработкам в КБ В.П. Глушко, выполненным совместно с НИИТП, в ЯРД схемы "В" при использовании водорода в качестве рабочего тела достижим удельный импульс приблизительно 20000 м/с. Чрезвычайно высокие удельные характеристики могут быть получены для ЯЭУ схемы "В".
Проект такой установки мощностью 3,2 млн кВт был выполнен в КБ В.П. Глушко совместно с НИИТП и ИАЭ.
Осуществимость основных процессов, обеспечивающих получение высоких параметров в газофазном реакторе, экспериментально подтверждена на модельных (нереакторных) установках.
Большой объем работ, включая летные испытания, выполнен по электрическим двигателям и плазменным источникам.
Необходимо отметить, что развитие в НИИТП научных исследований рабочих процессов и технологии ядерных двигателей и энергоустановок, создание мощной лабораторной и стендовой баз определило возможность развития ряда новых работ, имеющих важное самостоятельное значение. Одним из примеров этого являются работы НИИТП по плазменным источникам.
М.В. Келдыш проявлял постоянный интерес к исследованию основных направлений использования ЯРД в различных областях ракетно-космической техники. Последнее обсуждение этих вопросов состоялось у Мстислава Всеволодовича за месяц до его безвременной кончины.
Сегодня, когда уже можно отметить определенные успехи в развитии работ по мощным ядерным двигательным и энергетическим установкам, мы отдаем должное инициативе в своевременной постановке работ, большому личному вкладу, вниманию и заинтересованности, которые проявлял М.В. Келдыш к этим работам с самого первого дня их становления.
Россия разработает для космического корабля ядерный ракетный двигатель
http://www.vsesmi.ru/news/3420455/
Правительство Российской Федерации в 2010 году выделило 500 миллионов рублей на создание проекта космического корабля, в который будет встроен ядерный ракетный двигатель . Кабинет министров выдал распоряжение 29 декабря 2009 года, согласно которому будут выделены средства на проекты, которые одобрила комиссия при президенте России по вопросам модернизации и технологическому развитию экономики РФ.
Данный документ подтверждает, что сумма в полмиллиарда рублей будет разделена между Росатомом и Роскосмосом. 430 миллионов рублей выделили Государственной корпорации по атомной энергетике (Росатом) с целью создания ею транспортно-энергетического модуля, в основе которого находится ядерный ракетный двигатель . Для осуществления того же проекта Федеральное космическое агентство (Роскосмос) получит 70 миллионов рублей.
В последних числах декабря Анатолий Перминов, глава Роскосмоса, заявил, что начиная с 2010 года Россия будет проводить исследования в области разработок ядерных энергоустановок мегаваттного класса. Он также заметил, что ядерный ракетный двигатель и другие подобные технологии необходимы для создания космического корабля, способного отправиться в длительную экспедицию, например, на Марс. Он считает, что реализация такого масштабного проекта позволит России выйти на новый уровень, поднять отечественную ракетно-космическую технику над иностранными разработками.
Завершение эскизного проекта энергодвигательной установки нового типа планируется к 2012 году. Практическая реализация данного проекта обойдется российскому бюджету примерно в 17 миллиардов рублей. В свою очередь сам ядерный ракетный двигатель начнут создавать не ранее 2018 года. Строительство установки, скорее всего, возьмет на себя Центр имени Келдыша, а проектирование космического корабля поручат ведущим специалистам РКК «Энергия».
Академик РАН и директор Центра имени Келдыша Анатолий Коротеев сообщает, что проект возможно завершить к 2018 году, если разделить его на несколько этапов. Если проект будет полностью утвержден и профинансирован, то к 2012 году будет готов технический проект и компьютерное моделирование системы, к 2015 году осуществят обработку самой двигательной установки, а к 2018 году начнется создание модуля.
Ответить с цитированием