Что же за транспортно-энергетический модуль (ТЭМ), курсирующий между планетами и спутниками, готовят российские предприятия? Ранее мы обсуждали политику внутри космической отрасли России, но перейдём к технической составляющей этого неоднозначного проекта. Вокруг которого теперь обращается вся отрасль.

источник: cont.ws

Когда за проект взялись, масштабы обещаний были не меньше, чем у Маска с его полётом пилотируемой экспедиции к Марсу в 2025-ом году. К 2018-ому, «Роскосмос» пообещал окончить разработку ТЭМ с капельными холодильниками-излучателями (КХИ) и 16-ью ионными двигателями рекордной мощности около 60 кВт.

Справка: до этого капельное охлаждение в космосе считалось невозможным из-за солнечного излучения и испарения жидкости. Поэтому во всех разработках КА присутствовали панельные холодильники. Их главный минус — это масса, которая возрастала в разы при увеличении электрической мощности. Ионные двигатели же к объявлению о начале проекта имели мощности в десятеро меньшие.

Сам ТЭМ должен был раскладываться из состояния для обтекателя ракеты, как на изображении выше, в функционирующую форму на том же рисунке. А для того, чтобы полностью покорить сердца всех мечтателей, объявили о том, что буксир будет иметь ядерный реактор мощностью до 3,5 МВт с инновационным карбонитридом урана в качестве топлива.

В 2009-ом году вся эта конструкция выглядела фантастичной. К тому же вместо разрабатываемых предприятиями «Роскосмоса» реакторов с термоэмиссионными преобразователям, которые имели большое будущее, благодаря идее КХИ взялись за турбомашинное преобразование энергии. Что означало разработку с нуля. И президент России, Дмитрий Медведев, подписал все документы на начало разработки ядерного космического модуля.

Дело доверили трём основным ведущим предприятиям. «НИКИЭТ им. Н. Доллежаля» — предприятие «Росатома», взялось за создание реактора. РКК «Энергия» обязалась создать сам космический аппарат, на который будет это установлено. Система преобразования энергии и ионные двигатели легли на плечи ИЦ им. Келдыша.

Ионные двигатели

В XXI веке назрела огромная необходимость в полётах к Луне. Но делать это на химических двигателях абсурдно. Огромное количество дорогостоящего топлива тратится при каждом полёте. Чтобы уменьшить количество трат топлива, необходимо пропорционально увеличить скорость истечения вещества из двигателя. И единственным существующим решением на данный момент являются ионные двигатели.

Справка: ионные двигатели работают благодаря созданию реактивной тяги на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле. Современные химические двигатели достигают возможностей истечения газа из сопла около 2-4 км/с. Но это практически предел. Электродвигатели на ионизированном газе расширяют данные возможности до 50-70 км/с. Что позволяет в 20-25 раз сократить траты топлива.

И тут возникает ещё одна проблема. Для большой скорости струи в электродвигателях необходимо много электроэнергии. Поэтому до сих пор ионные двигатели ставились только на небольшие аппараты и спутники, а солнечные панели покрывали нужные расходы энергии для корректировки орбиты. Но ТЭМ будет весить около 20-25 тонн, а такое «солнечники» не потянут. Тогда и было решено для работы целой группы двигателей на буксире разработать компактный ядерный реактор.

В изначальные планы входили 16 двигателей с мощностью около 60кВт каждый. Таким образом вместе они давали бы рекордные 900-1000 кВт на весь модуль. Но совершить революцию не получилось и ресурс двигателей оказался вдвое ниже. Сейчас заявляется о мощности в 32-35 кВт на двигатель, а их количество на буксире выросло до 24. Но общие возможности падают до 800 кВт всё равно.

Разработанный ИД-ВМ не оказался устроен на принципиально новых принципах, однако даже такой уровень, превышающий современные аналоги в 4-5 раз — выдающаяся заслуга.

источник: cont.ws

Реактор

Несмотря на огромное количество новых разработок для ТЭМ именно ядерный реактор удостоен наибольшего внимания к своей персоне. Отчасти незаслуженно, ведь он оказался одной из самых лёгких частей во всём проекте.

источник: cont.ws

Создатели наземных реакторов на быстрых нейтронах для Белоярской АЭС взялись за этот проект с воодушевлением. Но обещание использовать в качестве топлива карбонитрид урана быстро испарилось. Причины — малоизученность, которая может привести к непредсказуемым последствиям и разрушению ТЭМ в космосе. Взяться решили за оксид урана UO2.

Это не стало огромным разочарованием. Замена произошла на всё ещё эффективное топливо, а множество изначальных идей так или иначе должно было ужаться до реальных возможностей. И карбонитрид урана списывать со счетов не стоит — после всех испытаний и подтверждения эффективности наверняка его используют в будущих версиях реактора.

Год от года НИКИЭТ имени Доллежаля начала рапортовать об успехах. В 2013-ом началось рабочее проектирование ядерной энергоустановки. В 2014-ом были испытаны системы управления реактором, а также первый ТВЭЛ. В 2015-ом закончены технические испытания корпуса ядерной установки. Было заявлено, что «уникальный конструкционный материал корпуса способен обеспечить работу реактора на протяжении более чем 100 тысяч часов» — около 11-12 лет. К 2016-ому году начались испытания полномасштабного имитатора ядра реактора. И к августу 2017-го было объявлено, что проект готов. В 18-ом году разработчики собираются провести испытания наземного образца ядерной энергоустановки, а через год полноценный образец будет сдан.

Капельные холодильники

Не менее важной частью буксира должны стать капельные холодильники-излучатели нового типа. Долгое время даже сами разработчики не верили в то, что смогут разработать такую технологию. Поэтому параллельно шли работы над панельными холодильниками для ТЭМ. На макетах даже показывали рисунки двух разных буксиров, с обоими типами охлаждения.

Но в 2015-ом году на МКС был удачно проведён эксперимент «Капля-2», с целью подтверждения принципов работы охлаждения нового типа. Это позволило «Роскосмосу» спокойно выдохнуть, так как оставалась возможность создания компактного буксира, который смогут вывести ракеты тяжёлого или сверхтяжёлого класса.

источник: cont.ws

Но более никакой информации о данной части проекта нет. А, значит, идут задержки и центр Келдыша не в состоянии справиться с частью проблем.

Справка: принцип работы капельного охлаждения прост. Вместо циркуляции в трубах нагретая жидкость выбрасывается в вакуум, охлаждается и улавливается конструкцией, проходя так цикл за циклом. Учёные опасались, что сталкиваясь в вакууме с солнечным излучением и другими эффектами, жидкость начнёт разлетаться, но в МФТИ смогли решить эту проблему с помощью целого комплекса программ.

ТЭМ

источник: cont.ws

Пока на других предприятиях лежали локальные конкретные части проекта, «Энергии» предстояло собрать нечто уникальное. Такой космический аппарат, которого ещё в принципе не существовало ранее. А многие принципы, на которых должен быть построен буксир, поражали воображение и уж точно вводили в шок конструкторов этого аппарата. От них требовали собрать все присущие полноценному КА элементы с учётом бесконтрольной десятилетней работы в космическом пространстве и в радиационных поясах за пределами магнитного поля Земли. Трубопроводы, фермы, солнечные панели, КХИ — всё это должно раскладываться самостоятельно и автоматически после вывода буксира на орбиту. Любой недочёт при этом может привести к отказу систем и потере дорогостоящего ядерного модуля. И при всём этом ТЭМ был ограничен массой в 22 тонны, чтобы уместиться в «Ангару-А5».

Здесь и кроется главная проблема всего проекта. В ограничениях и слишком завышенных ожиданиях. Чтобы создать такой аппарат, необходимы долгие испытания, отработка систем, крупные финансовые вливания и отказ от «Ангары». Как я рассказывал в прошлой статье «Хроники «космических транспортных систем» России», S7 Space взяла на себя обязательства к осени этого года подготовить план по ускорению создания ТЭМ. Скорее всего компания и профинансирует часть работ РКК «Энергии», а запуск буксира осуществится только к 2030-ому году, когда будет создана новая сверхтяжёлая ракета. Велика вероятность, что к тому моменту в центре Келдыша модифицируют свои ионные двигатели, а «Росатом» уже перейдёт к новому топливу. И в космос будет запущен полноценный ТЭМ, о котором и заявляли изначально, а не урезанная во многих аспектах версия, которую могли бы запустить в теории и в ближайшие 5 лет.