На российском ядерном буксире «Зевс» – от Венеры до Юпитера

Идея использовать ядерную энергию для движения космических кораблей была озвучена еще в 1960-е годы Курчатовым, Королевым, а также Келдышем. И работы в этом направлении велись: советская организация «Энергия» проектировала атомную установку, способную работать на орбите.


После развала Союза вопросом создания ядерного двигателя для космического аппарата стали заниматься с 2010-го года. Программа получила название «Нуклон», корабль, работающий на атомной энергии – «Зевс». Зачастую его называют «ядерным буксиром». Впервые широкой общественности продемонстрировали макет на салоне МАКС-2019. А о том, как будет работать буксир, рассказали и показали в трехмерной графике на выставке «Армия-2020».

Что требуется для освоения дальнего космоса

Нынешние аппараты для разгона используют химическое топливо, главная проблема которого заключается в быстром расходе. Чтобы достичь орбиты, нужно иметь очень объемные баки. Разогнавшись, дальше ракета летит сама, пользуясь оставшимся топливом для маневрирования. При этом скорость выходящих газов достигает 4,5 км/сек.


Правда, существует необычный метод для получения дополнительного ускорения. Речь идет о пролете рядом с какой-нибудь планетой, гравитационная система которой «подтолкнет» космический аппарат. Но этот способ довольно сложный, требует точных расчетов и увеличивает время выполнения полета к конкретной цели. К тому же метод гравитационного ускорения не всегда подходит.

Ионные двигатели – в чем разница?

Здесь рабочее тело (ртутные пары, ксенон, аргон), находящееся в электрическом поле, разгоняется гораздо быстрее, чем потоки газов, вырабатываемые химическим топливом. Ионный двигатель способен разгонять космический аппарат до скорости в 210 км/сек. Рабочего тела нужно меньше и функционировать инертные газы смогут значительно дольше.


Есть и минус – относительно малая тяга. Однако если учесть огромные расстояния и продолжительность действия ионных двигателей, то в итоге они буду эффективнее химических.

Как работает ядерный буксир

Чтобы космический корабль получился надежным и быстрым, логично установить на него одновременно несколько агрегатов. Но тут возникает проблема: для ионизации необходимо большое количество энергии. Солнечные батареи выдать столько электричества не смогут. К тому же панели будут терять свою эффективность по мере удаления от светила.


Решение проблемы найдено: нужно на борту аппарата запустить ядерный реактор, который будет располагаться в отдельном модуле. Система должна функционировать, как на Земле. Вырабатывается тепло, которое затем посредством турбин превращается в электричество. Оно и будет подавать энергию к ионным двигателям.


Здесь тоже имеется свой минус – медленный (по сравнению с химическими агрегатами) набор скорости. К примеру, до нашего спутника корабль с ионным двигателем доберется не так скоро, как используемые ныне аппараты. Но зато не потребуется «таскать» с собой большой запас горючего.


А это значит, что до дальних планет, например, Марса, корабль с ядерным реактором в итоге долетит быстрее. Да еще и сможет без дозаправок вернуться на Землю. Подобный вариант, например, для ракет Starship (SpaseX) невозможен: эти аппараты работают на химическом топливе и их необходимо подпитывать на орбите или планете.

Сброс тепла и «железо»

Это еще одна проблема, которая пока решается. В космосе избавление от излишнего нагрева делается только посредством излучения. Главный вопрос – габариты радиатора, который при выработке тысяч кВт энергии должен будет сбрасывать т. н. низкопотенциальное тепло. Тут два варианта. Первый подразумевает небольшие габариты излучателя при высоких температурах. Во второй «версии» все наоборот: при относительно малом нагреве размеры радиатора нужно увеличивать. В последнем случае расчеты показывают, что излучатель получится с футбольное поле!


«Поставщик» электричества должен бесперебойно функционировать на протяжении десятилетий. В связи с этим встал вопрос о надежности механических систем, работающих через трение. Найти подшипники с длительным ресурсом, которые станут крутиться в непростых условиях космоса, довольно проблематично. В результате остановились на варианте с магнитными (возможно, газовыми) опорами бесконтактного типа, чтобы не допускать трения металлических деталей.

Куда и как полетит «Зевс»

Изначально аппарат хотели собирать на Земле, но позже решили, что выгодней это сделать на орбите. Его общая масса составит 20 т: семь будет весить ядерный реактор, тонна пойдет на горючее и 10 тыс. кг отводится для полезной нагрузки.


Затем «Зевс» (по сути, это транспортно-энергетический модуль, ТЭМ) проходит испытания и с неработающим реактором выводится ракетой-носителем на орбиту высотой 800 км. На ней он может находиться не одну сотню лет. Далее все нужные элементы раскрываются и запускается ядерная цепная реакция.


Потом на орбите совершается стыковка с модулем, в котором находится научное оборудование и топливо – инертный газ. Раскручиваясь по спирали, комплекс набирает вторую космическую скорость и, если надо, разгоняется, улетая от Земли к назначенной цели.


Энергии ядерной установки хватит на десяток лет, ее мощность составляет 300-1000 кВт. Этого достаточно, чтобы, например, слетать к Юпитеру и вернуться обратно на земную орбиту, где можно стыковаться с другим модулем.


Предполагается, что сначала «Зевс» потянет космический комплекс на Луну, где оставит на орбите небольшой космический аппарат. Затем буксир отправится к Венере и далее – к одному из спутников Юпитера. Вся миссия займет пятьдесят месяцев.

На Западе

В плане истории – схожая ситуация. Исследования и проектирование ядерных установок, способных работать в космосе, шли до 1970-х. Затем – пауза и возобновление исследований в 2010-х. НАСА создало прототип ядерной станции под названием Kilopower.


Предполагалось, что реактор будет использоваться на Луне и Марсе. Однако американская станция располагает расчетной мощностью, которая меньше той, что у «Зевса», до 100 раз.


Есть еще проект от DRACO (исследовательская организация от Минобороны) по созданию ракеты с ядерным прямоточным двигателем. Однако он менее эффективен, если сравнивать с установкой, разрабатываемой в РФ. Также есть проекты от американского физика Ибрахими и компании Helicity Space. По уровню готовности они значительно уступают российскому аппарату, который должен полететь в 2030-м.

Что сегодня

В конце июня 2022-го года глава Роскосмоса Д. Рогозин сообщил, что финансового обеспечения для продолжения работ над «Зевсом», хватит до 2024-го года. Он наступил – остается только ждать новостей, которых пока нет.