Атомолеты-2
Автор: Сергей Александров
«ПОЕХАЛИ!»
30 июня 1958 г. ЦК КПСС и Совет министров СССР приняли постановление о разработке в ОКБ-1 С.П. Королева ракет различного назначения с ядерными двигателями. Создание двигателей поручалось КБ В.П. Глушко и М.М. Бондарюка. Полтора года спустя, 30 декабря 1959 г., С.П. Королев утвердил эскизные проекты трех ракет - межконтинентальной баллистической и двух носителей, тяжелого и сверхтяжелого классов. С «высоты» современных знаний любопытно, что в качестве рабочего тела атомного двигателя наши конструкторы тогда рассматривали отнюдь не водород, а аммиак, или его смесь со спиртом!
Прорабатывались две схемы, «А» - просто с разогревом рабочего телав реакторе, и «Б» - с последующим сгоранием раскаленных компонентов топлива в камере сгорания. Вторая схема давала выигрыш в тяге, но проигрывала в скорости истечения, и была отвергнута.
По результатам эскизного проектирования создание одноступенчатой ядерной баллистической ракеты, способной при стартовом весе 87-100 т доставить 2,7-4 т на дальность 14000 км было признано нецелесообразным («керосиновая» двухступенчатая Р-9, проектирование которой началось тогда же, при стартовой массе 80 т доставляла 1 т на 16000 км). Носители же, при стартовой массе, соответственно, 880 и 2000 т, должны были выводить на околоземную орбиту 40 и 150 т. Однако, несмотря на немалый объем предварительной работы (только отчет Института атомной энергии, подписанный И.В. Курчатовым, насчитывал более десятка увесистых томов, а темой занимались еще Физико-энергетический институт, НИИ тепловых процессов, несколько материаловедческих организаций - список будет длинным), никакого «железа» еще не было - первые эксперименты на реакторе ИГР-1 начались только в 1961-м. Соответственно, когда появятся реальные двигатели, сказать пока не мог никто, ракеты же нужны были - как всегда - срочно. Тем более, что вскоре стало ясно: 40 т - груз, доступный и химической ракете, а 150 т - и сейчас не всем понятно, для чего нужно...
СХЕМА «В»
И программа ЯРД была отнесена к работам на далекую перспективу. В головном «двигательном» НИИТП их разработку возглавил Виталий Михайлович Иевлев (1926-1990), выступивший с идеей двигателя схемы «В» - с ядерным реактором с газофазной активной зоной (темой очень заинтересовался В.П. Глушко)...
Немного теории. Ракетный двигатель характеризуется двумя параметрами: тягой и скоростью истечения рабочего тела. Первый - количественный, и, в принципе, определяется размерами агрегата, а вот второй - качественный. Он пропорционален корню квадратному из температуры рабочего тела в двигателе (и обратно пропорционален молекулярной массе рабочего тела). Так вот, атомная энергия, конечно, способна нагреть рабочее тело куда сильнее, чем горение. Но... ограничителем становится температура плавления самого ядерного топлива, тепловыделяющих элементов. По условию нерасплавления активной зоны реально достигнутая скорость истечения ЯРД - 9,1 км/с, теоретически - около 10 км/с (для справки: лучший ЖРД дает 4,2 км/с). Понятно, что - ежели бы активная зона была газообразной, эффективность ЯРД выросла бы еще в 2-3 раза (не забудем, что корпус-то с соплом в любом случае должен остаться твердым). Кроме того, в газофазной активной зоне резко повышается интенсивность нагрева рабочего тела (не по поверхности ТВЭЛов, а по всему объему), что позволяет и тягу увеличить в 2-2,5 раза... Однако при этом встает совершенно неразрешимая проблема: как избежать выноса частичек ядерного топлива из двигателя?3
Модельные испытания показали, что предложенная Иевлевым схема движения плазмы разной плотности, при которой более плотная - урановая - остается в реакторе, эффективна, но 100% гарантии не дает, а значит, ни в верхней атмосфере, ни на низких орбитах такой двигатель запускать нельзя... А ведь в 1963 г., газофазный двигатель рассматривался как крайне интересная альтернатива для установки на вторую ступень носителя Н1! Теоретические и модельные исследования по газофазному ЯРД продолжались в Советском Союзе до конца 1980-х - слишком захватывающие перспективы открывало бы его применение в космосе.
ВЗРЫВОЛЕТ
К этому же времени относится еще один советский проект атомного космического корабля, кстати, показывающий, что атомщики одинаковы во всем мире. В 1962 г. А.Д. Сахаров предложил космический корабль ПК-5000, аналогичный «Orion» (5000 т - стартовая масса). Предполагалось, что с экипажем в 10-20 человек ПК-5000 сможет, стартовав с поверхности Земли, летать по всей Солнечной системе. В систему регенерации и жизнеобеспечения планировали включить биоконтур с хлореллой. Как «Orion» и «Helios», ПК-5000 был «сбит до взлета» Московским договором 1963 г. о запрете ядерных испытаний в атмосфере, под водой и в космосе.
Современная реконструкция космического корабля ПК-5000: 1 - отсек управления; 2 - отсеки экипажа; 3 - заряды для основного двигателя; 4 - топливо вспомогательных ЖРД; 5 - система подачи зарядов; 6 - система демпфирования; 7 - вспомогательные ЖРД, 8 - экран диаметром 15-25 м; 9 - стартовый стол
МЕДЛЕННО. НО ВЕРНО
А разработка ЯРД между тем продолжалась, но... Шла она весьма неторопливо, по принципу «поагрегатной отработки». Считалось, что атомные ракеты могут найти применение только в межпланетных программах, а с их реализацией не торопились. Зато провели глубокие исследования процессов в реакторе, отработали конструкцию ТВЭЛов.
Принятая в СССР конструкция двигательного реактора радикально отличается от американской. Заокеанские атомщики использовали гомогенную активную зону - губку из равномерно перемешанных ядерного горючего и замедлителя, сквозь поры которой прогоняется нагреваемое рабочее тело. Это проще конструктивно и технологически, но таким реактором очень трудно управлять и совершенно невозможно отрабатывать по частям. В нашей стране на такую схему посмотрели - и отказались. Все дальнейшие работы велись по гетерогенной схеме активной зоны - с отдельными ТВЭЛами, замедлителем, управляющими элементами.
На Семипалатинском испытательном полигоне - СИПе - в 1959-м начала строиться и в 1961 г. заработала стендовая база НИИТП. В ходе испытаний на газообразном теплоносителе температура активной зоны в реакторе ИВГ-1 была доведена до 3100 К, что позволяло обеспечить удельный импульс 9,1 км/с. В конце 1960-х на другой площадке СИПа соорудили комплекс полноразмерной отработки ЯРД «Байкал-1», на котором с 1970 по 1988 гг. проведено около 30 «горячих» пусков реакторов.
К сожалению, режимы были модельные, поскольку на ядерном полигоне так и не смонтировали системы работы с жидким водородом. Эту часть испытаний провели на стендах двигательных НИИ и КБ, роль ТВЭЛов «играли» электрические нагреватели. Поэтому, несмотря на то, что натурных огневых испытаний ЯРД в СССР не было, отечественные специалисты вполне обоснованно заявляют о том, что двигатели Воронежского КБ «Химавтоматика», готовы к полету.
АЛЬТЕРНАТИВА
И эти же работы позволили академику А.П. Александрову сделать весьма обнадеживающее заявление...
17 февраля 1976 г. ЦК КПСС и Совет министров СССР приняли постановление No132-51 «О создании многоразовой космической системы в составе разгонной ступени, орбитального самолета, межорбитального буксира-корабля, комплекса управления системой, стартово-посадочного и ремонтно-восстановительного комплексов и других наземных средств, обеспечивающих выведение на северо-восточные орбиты высотой до 200 км полезных грузов массой до 30 т и возвращения с орбиты грузов массой до 20 т» - короче, о создании «Бурана». «Буран» вызывает бурные споры о своей концепции, но молчаливо признается, что технические решения выше любой критики. Однако это, к сожалению, не так. Сейчас можно утверждать, что куда более перспективной альтернативой «Бурана», способной перевернуть не только развитие мировой космонавтики, но и историю нашей планеты, был бы атомный воздушно-космический самолет В.М. Мясищева М-19.
После восстановления в 1966 г. самостоятельного (но гораздо менее мощного, чем раньше) КБ, Мясищеву были поручены такие темы, как изучение систем управления пограничным слоем. Однако Владимир Михайлович развил бурную деятельность, предложив семейство самолетов короткого и вертикального взлета, самолет-перехватчик высотных аэростатов, принял участие в конкурсе стратегических бомбардировщиков, включился в работы по государственной программе освоения водородного топлива «Холод»...
Но воздушно-космическим самолетом Мясищев заниматься не торопился, прекрасно зная о его врожденном недостатке - меньшей по сравнению с ракетой-носителем массовой эффективности, требующей революции в материаловедении. Выход конструктор увидел в предложении руководителя группы в ЦНИИ-50 (головной институт космических войск) О.В. Гурко4.
В завершенном виде концепция М-19 выглядит так. Взлет и первоначальный разгон 500-тонный ВКС совершает как атомный самолет с двигателями замкнутого цикла, причем в качестве теплоносителя, передающего тепло от реактора к турбореактивным двигателям (10 х 25,0 т), служит водород. По мере разгона и набора высоты, водород начинает подаваться в форсажные камеры ТРД, а потом - и в прямоточные двигатели. Наконец, на высоте 50 км, при скорости полета, большей 16 М, включается атомный ракетный двигатель (схемы «А») тягой 320 т, завершающий выход на рабочую круговую 185-км орбиту. Полезный груз предполагался в 40 т!
Кстати, использование водорода (конечно, жидкого) и как рабочего тела ЯРД, и как теплоносителя, решает еще одну проблему: водород в реакторе не активируется, и, соответственно, радиоактивного заражения не создает. Естественно, те же 40 т М-19 мог и спустить с орбиты, и, опять-таки, в режиме атомного самолета, вернуться на свою базу с любого витка. Мог и выполнить тот пресловутый «нырок» в атмосферу с маневром по курсу и возвращением на орбиту, который так никогда и не совершил «Шаттл», и которого так боялись наши военные.
При некотором уменьшении полезного груза, аппарат без труда достиг бы любой точки околоземного космоса вплоть до окололунной орбиты. И неотъемлемой частью корабля оставалась ядерная энергоустановка, позволяющая решать в космосе такие задачи, которые потенциальным заказчикам и во сне не снились...
Конечно, угроза загрязнения местности при падении аварийного самолета оставалась, и для ее предотвращения корпус реактора с круговой защитой должен был мяться, но не терять герметичности при ударе о землю со скоростью 300 м/с, что значительно превышает скорость падения обломков на землю с любой высоты при любой аварии...
Согласно предложенной Мясищевым программе, при начале работ в середине 1970-х, в начале 1980-х уже можно было построить летающие лаборатории для отработки атомных двигателей и экспериментальные гиперзвуковые аппараты. Это уже через несколько лет дало бы, помимо прочего, бомбардировщик класса Ту-160, но с втрое большей скоростью. Даже в случае неудачи дальнейших - «атомных» - работ, он послужил бы надежной основой для авиакосмической системы, аналогичной «Спирали» («ТМ» №1, 1993), FALCON («ТМ», №10, 2005) или SHAAFT («ТМ», No7, 2000), и не вызывавшей таких сомнений в своей эффективности, как МАКС (там же). И только это было бы уже революцией в космическом транспорте...
Кстати, предложенную мясищевцами аэродинамическую компоновку следует считать если и не идеальной, то близкой к тому: схема имеет дозвуковое аэродинамическое качество >7,0 а гиперзвуковое - 3,0 (для сравнения, у того же «Бурана» эти величины равны, соответственно, >5,0 и 1,5). Впрочем у нее есть «узкое место» - криогенные «сиамские» баки, образованные пересечением нескольких конусов. Владимир Михайлович подстраховался и предложил на всякий случай более простую технологически схему, как раз-таки похожую на будущий «Буран». Практика показала дальновидность такой подстраховки: четверть века спустя именно неудача в изготовлении криогенных «сиамских» баков погубила американский одноступенчатый ВКС Х-33...
А в конце 80-х (то есть тогда же, когда - реально - и «Буран») залетали бы и серийные образцы атомного ВКС. Именно при обсуждении этой программы в 1974 г. академик А.П. Александров заявил, что серийный образец ядерного двигателя с требуемыми характеристиками можно сделать за 10 лет!
Очевидно, что уже десяток М-19 обеспечил бы весь грузопоток «Земля - орбита» до середины XXI в. Незанятые «Бураном» ресурсы ракетно-космических предприятий были бы обращены на разработку и выпуск блоков орбитальных станций и новых спутников (которые при такой транспортной системе были бы уже совсем другими). Не потребовался бы и Ту-160, а военные возможности Советского Союза с М-19 выглядели бы совершенно иначе... Это был бы настоящий «асимметричный ответ», «обгон навсегда». И не случилось бы Чернобыльской катастрофы, не было бы последовавшей за ней антиатомной (и антитехнической) истерии. В самом деле, требуемое расширение работ по атомной энергетике, предполагаемое расширение использования жидкого водорода потребовало бы - вопрос существования! - резкого повышения культуры производства ВО ВСЕЙ промышленности страны. А ведь именно ее - культуры производства - отсутствие и стало главной причиной известнейшей ядерной катастрофы. Да и не только ее.
Но «на самом верху» думали о другом. Ведь революционный проект объединял четыре (!) задачи: нужно было создать атомный сверхзвуковой самолет, гиперзвуковой самолет на криогенном топливе, воздушно-космический аппарат и атомный ракетный корабль, причем - слитые в единой конструкции, объединяя достоинства и компенсируя недостатки! А «Буран» предполагал решение только ОДНОЙ из этих ЧЕТЫРЕХ задач...
Постановление от 17.02.76. решало сразу несколько проблем. Помимо создания многоразовой космической системы, обеспечивалась профильная загрузка на ближайшие десятилетия сотен предприятий, от НПО «Энергия» до совершенно «некосмического» сызранского «Тяжмаша» (нашлось дело и КБ Мясищева - в составе НПО «Молния» ему поручили кабинный модуль «Бурана»)... Но результат «симметричного» ответа5 оказался никому не нужным, более того - своей бесполезностью поставил под вопрос существование отрасли вообще.
ПО-ДРУГОМУ - НЕ ПОЛУЧИТСЯ!
А работы по ЯРД в нашей стране с начала 1980-х начали сворачивать (тем более ускорился этот процесс после Чернобыля). Наконец, в 1990-м они были просто прекращены, причем повод нашелся совершенно казуистический: запретом назвали принятые годом ранее МАГАТЭ новые нормы радиационной безопасности космической техники!
Впрочем, строгость российских законов компенсируется необязательностью их выполнения... «Ядерные» и «двигательные» КБ во всеобщем развале постарались сохранить наработки и стендовую базу. На выставке «Авиадвигатель-96» воронежское КБХА показало ядерный ракетный двигатель РД-0410. Сегодня с еще большим основанием, чем на старте космической эры, можно утверждать: без ядерных двигателей, ядерной энергетики ОСВОЕНИЕ космического пространства невозможно!
1) Это лишь малая часть истории ЭРД. См. так же «ТМ» No2, 2006 г. - Ред.
2) Но главный их недостаток - наличие крайне опасных радиоактивных изотопов, которые, в отличие от реактора, нельзя выключить... - Ред.
3) Зато при аварийном разрушении газофазный реактор более безопасен, т.к. пары урана - практически, урановая плазма - мгновенно распыляются до очень низкой концентрации, не создавая заражения! - Авт.
4) Существует и другая версия зарождения проекта с другими действующими лицами, но... приходится опираться на рассекреченные данные. - Авт.
5) А то, что «Буран» был прежде всего ответом на «Space Shuttle», не скрывается уже давно, см., например, «ТМ» No2, 1999 г.
АТОМНЫЕ ТЯЖЕЛОВОЗЫ
АТОМНЫЙ ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКИЙ САМОЛЕТ М-19: длина (без сбрасываемого хвостового отсека) - 69,0 м; размах крыла - 50,0 м; площадь несущей поверхности - 1000 м2; высота - 15,2 м; размеры грузового отсека - 20.0х4.0х4.0 м; объем - 320 м3; стартовая масса - 500.0 т; полезный груз - 40.0 т на орбиту 185 км; запас жидкого водорода - 220.0 т; мощность ядерного реактора в зависимости от режима полета - 2100 - 15600 МВт; турбореактивные атомные двигатели - 10х25.0 т; ядерный ракетный двигатель - 1х320.0 т; потребная длина ВПП - 4.0 км; экипаж - 3-7 чел. Цифрами обозначены: 1 - кабина экипажа; 2 - двигатели системы ориентации; 3 - манипуляторы; 4 - створки грузового отсека; 5 - полезный груз; 6 - водородные баки; 7 - теплозащитные панели; 8 - запасы топлива двигателей ориентации; 9 - шасси; 10 - баки системы орбитального маневрирования; 11 - сопло ядерного ракетного двигателя; 12 - двигатель орбитального маневрирования; 13 - реактор с защитой; 14 - ядерные турбореактивные двигатели; 15 - элементы конструкции; 16 - жилой отсек.
