Какие преимущества дает ядерный реактор в космосе?
Для пилотируемой космонавтики существуют три основные проблемы — обеспечение электроэнергией, движение в условиях вакуума, а также жизнеобеспечение членов экипажа. На самом деле проблем гораздо больше, но все их можно обобщить в три главные проблемы. При условии, что мы не рассматриваем фантастические полеты к другим звездам.
Поскольку системы жизнеобеспечения, так же как и все остальные системы корабля, требуют энергии, а в плане передвижения ничего, кроме реактивного принципа, нет и не предвидится, то на первый план выходит проблема энергообеспечения, которая актуальна для любого космического аппарата.
Рассматривая эту проблему становится очевидно, что лучшее, что можно сделать, это использовать в космосе самый эффективный метод получения энергии из тех, которые доступны человечеству, а именно ядерную реакцию.
Развитие космонавтики требует увеличения электрической мощности космических аппаратов. Это очевидный, магистральный путь развития космонавтики. И дальше всего по этому пути прошли русские инженеры, которые приступят к летным испытаниям Транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) в 2030 году. ТЭМ представляет собой беспилотный космический корабль с ядерной электростанцией мегаваттного класса. Мощность этой электростанции позволяет воспользоваться самыми эффективными устройствами для передвижения в космосе — электрореактивными двигателями.
Подобные двигатели отличаются большим потреблением электроэнергии и малым расходом рабочего тела. Если нет мощного источника энергии, использовать такие двигатели в качестве маршевых двигателей для крупного космического аппарата попросту невозможно.
Итак, можно сказать, что в проекте ТЭМ реализованы принципиально новые для всей космонавтики подходы. Ни один космический аппарат ранее не вырабатывал такого количества электроэнергии. И ни один столь крупный аппарат ранее не использовал электрореактивные двигатели в качестве основных двигательных установок. А поскольку ТЭМ является беспилотным — проблема жизнеобеспечения для него сводится к защите от метеоритов и воздействий других космических аппаратов.
Для чего можно применить лучший космический аппарат?
Надо сказать, что ТЭМ — это не полноценный космический корабль, помимо электрогенератора и двигателей у корабля должна быть полезная нагрузка. Такой нагрузкой являются приборы и инструменты, которые будут тратить огромную электрическую мощность ядерного реактора. В качестве полезной нагрузки может быть другой космический корабль, который нужно разогнать, или посадочный модуль для высадки на другое небесное тело, на Луну, Марс, Венеру или спутники Юпитера.
Транспортно-энергетический модуль обретает смысл своего существования, когда к нему пристыкован Модуль полезной нагрузки (МПН). В конечном итоге, конкретное назначение корабля зависит от того, какая аппаратура соединена с источником энергии.
В 2021 году Транспортно-энергетический модуль получил новое название — «Зевс», как бы намекая на американскую лунную программу, названную в честь Артемиды, дочери Зевса. Рассмотрим перспективы использования этого космического аппарата. Оправдан ли выбор такого названия?
Назначение № 1 — Космический транспорт
Использование «Зевса» в качестве орбитального буксира позволяет выводить массивные космические аппараты на геостационарную орбиту без использования ракет-носителей сверхтяжелого класса на старте с Земли.
Для примера, чтобы вывести на геостационарную орбиту спутник массой 3,5 тонны потребуется ракета-носитель сверхтяжелого класса с массой на старте 2600 тонн. А если использовать «Зевс», то вывести ту же нагрузку на ту же орбиту можно будет, используя серийную ракету-носитель «Ангара-А5» со стартовой массой 770 тонн. Эффективность такого подхода очевидна, особенно если учесть, что сам «Зевс» выводится на орбиту такой же серийной ракетой-носителем «Ангара-А5В».
При полетах на дальние расстояния, например к Марсу, эффективность электрореактивных двигателей, по сравнению с химическими (которые применяются сейчас), становится резко выше. Поскольку для работы электрических двигателей требуется гораздо меньшее количество топлива — не нужно везти с собой огромные запасы горючего и окислителя. А также электрореактивные двигатели могут продолжать работу на протяжении всего пути, что позволит в итоге развить большую скорость, чем при использовании химических двигателей только в начале пути.
Более того, длительный перелет человека к тому же Марсу потребует транспортировки огромной инфраструктуры жизнеобеспечения, которая по размеру сравнима с орбитальной станцией. Чтобы доставить космический аппарат такой массы к другой планете на химических двигателях потребуются гигантские объемы топлива, а вернуться назад будет в разы труднее.
Об этом подробно рассказывал исполнительный директор по перспективным программам государственной корпорации «Роскосмос» Александр Блошенко на просветительском марафоне «Новое знание» в Нижнем Новгороде.
Дальний предел для химических двигателей — это полеты на Луну, а самой естественной для них задачей является первичный разгон космического аппарата, чтобы выйти на орбиту Земли. Так сказать первая передача в космической коробке переключения скоростей. Использовать химические двигатели для полетов дальше Луны — нерационально. Все равно, что выехать на междугороднюю трассу без возможности переключиться с первой передачи.
Назначение № 2 — Обслуживание и утилизация космических аппаратов
Космический корабль с огромными резервами энергии и большим ресурсом по орбитальному маневрированию может стать чем-то вроде станции технического обслуживания для других космических аппаратов. Такой корабль, с соответствующими инструментами на борту, может подойти к любому спутнику и провести обслуживание, продлив срок работы этого спутника. Причем речь может идти не только о подзарядке, но и о замене вышедшего из строя оборудования или установке нового.
Возможность дозаправки и ремонта космических аппаратов позволяет проектировать новые спутники по другим принципам, выделяя больше ресурсов аппарата целевой функции, а поддержание длительного срока эксплуатации можно переложить на ядерную станцию обслуживания спутников. Кроме этого обсуждается возможность подзарядки космических аппаратов на расстоянии с помощью лазера.
Также космический буксир вполне способен справится с задачей утилизации космических аппаратов, не подлежащих восстановлению и представляющих угрозу для других спутников.
Назначение № 3 — Научные задачи
Применение «Зевса» в качестве платформы для научного оборудования позволяет использовать активные методы исследования с гораздо большей мощностью. Это позволит узнать то, что принципиально нельзя было исследовать, используя аппаратуру низкой мощности. Например, в техническом задании на проектирование «Зевса» сказано о том, что бортовой специальный комплекс на МПН должен обеспечить картографирование верхнего покрова Луны на глубину до нескольких километров.
Кроме этого, задачи «определение электрофизических свойств грунта, идентификация районов с аномальной проводимостью, теплоемкостью, плотностью в целях обеспечения связи на поверхности Луны, выбора оптимальных мест посадки и размещения стационарных станций», также входят в техническое задание.
Проектируя новые приборы для изучения Луны, Земли или любых других небесных тел, ученые могут рассчитывать на электрическую мощность, которая в несколько раз превышает скромные возможности солнечных батарей, особенно если речь идет об исследовании отдаленных от Солнца планет, где эффективность солнечных панелей резко снижается.
Назначение № 4 — Космическая связь
Возможности спутников связи прежде всего ограничены мощностью солнечных батарей, которые покрывают непрерывные затраты энергии спутника на поддержание связи. Соотношение сигнал/шум у спутникового сигнала можно существенно улучшить, если воспользоваться более мощным излучателем. Для сравнения, мощность солнечных батарей Международной космической станции составляет порядка 100 кВт, тот же показатель у различных спутников связи около 15-20 кВт, а мощность, которую вырабатывает электрогенератор на «Зевсе», составит 470 кВт.
Назначение № 5 — Задачи обороны и безопасности
В докладе академика Российской академии наук (РАН) Анатолия Коротеева «Использование ядерной энергии в космических системах», который академик Коротеев представил на общем собрании членов РАН 21 апреля 2021 года, сказано, что ядерная энергетическая установка может быть использована для создания системы многопозиционной локации для контроля движения малоразмерных объектов, двигающихся на малых высотах.
Данная система представляет большой интерес для целей диспетчерского контроля. Но еще больший интерес вызывает возможность раннего обнаружения нежелательных летящих объектов.
При задействовании 200 кВт мощности радар, установленный на «Зевсе», сможет отслеживать всё воздушное пространство России.
Кроме этого, в докладе академика Коротеева мелькнул слайд, на котором была изображена схема взаимодействия «Зевса» с наземными частями системы ПВО. Из слайда видно, что «Зевс» способен подсветить малозаметные цели, выдав их местоположение для систем ПВО, которые при этом могут работать в пассивном режиме, то есть, не открывая своего расположения для средств радиоэлектронной разведки противника.
Подобная комбинация позволяет принципиально опередить вероятного противника, вскрыть местоположение его летательных аппаратов и при этом не раскрыть положения элементов ПВО. Такое преимущество существенно снижает шансы на прорыв противовоздушной обороны и делает уровень потерь для противника при попытке такого прорыва неприемлемым.
Короткий список перспектив использования «Зевса» не исчерпывает всех его возможностей. В частности, остались не рассмотрены перспективы использования средств радиоэлектронной борьбы из околоземного космического пространства. Информации по теме возможного использования «Зевса» в радиоэлектронной борьбе очень мало. Но возможно именно эта нераскрытая тема является настоящим основанием для того, чтобы назвать космическую электростанцию «Зевсом».
