После 2015 года российская космонавтика попадет в полосу стагнации
С 2009 года в рамках президентской программы модернизации и технологического развития экономики России реализуется проект создания транспортного космического модуля – межорбитального буксира на базе ядерной энергетической установки (ЯЭУ) с электрореактивной двигательной установкой (ЭРДУ). Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Н.А. Доллежаля (НИКИЭТ) отвечает за создание ЯЭУ, Исследовательский центр имени М.В. Келдыша (Центр Келдыша) – за ЭРД на базе ядерных технологий, а ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королева (РКК «Энергия») – увязывает все решения в единое целое.
В совокупности с другими решениями просматривается план создания принципиально новой транспортной системы двойного назначения. Она может понадобиться для решения широкого круга задач, в том числе для создания глобальной космической обороны, в частности, для борьбы с опасными космическими объектами (ОКО). Например, для доставки универсального космического аппарата КАПКАН к астероиду Апофис и предотвращения его столкновения с Землей в апреле 2039 года. На совместном заседании бюро Совета РАН по космосу и президиума научно-технического совета Роскосмоса были приведены расчеты мощности КАПКАНа. В зависимости от диаметра ОКО для его уничтожения или увода на безопасную траекторию потребуется ядерный боезаряд мощностью от 4 до 3380 килотонн и массой от 50 до 1127 кг.
Для доставки КАПКАНа осталось создать новый носитель, с другой энергетикой и другим двигателем. Он нужен и для других космических аппаратов двойного назначения.
Однако дальше разговоров о создании ЭРД с ЯЭУ дело почему-то не идет. Похоже, выполнение задания российского президента затормозилось. Об этом говорили на заседании Проблемного совета № 5А Научно-технического совета (НТС) по двигательным установкам РКТ в сентябре 2011 года. На совете было отмечено, что в России «наметилось отставание от ведущих космических держав в разработке и применении как мощных холловских электрореактивных двигателей (ЭРД), так и ЭРД других схем, что сдерживает развитие отечественных аппаратов после 2015–2020 годов».
Проблемный совет № 5А поставил перед учеными конкретную задачу: для транспортно-энергетических модулей мощностью свыше 1 МВт «необходимо создать двигатели новых схем, использующие нетрадиционные способы ускорения плазмы и обеспечивающие высокое значение плотности тяги, удельного импульса и ресурса».
В ходе круглого стола, проведенного сотрудниками «НВО» Виктором Мясниковым и Владимиром Гундаровым, свое мнение по этой проблеме, возникшей в чувствительной для нашего ОПК области, высказали лауреаты Государственных премий СССР: заслуженный деятель науки РФ, член Международной ассоциации авторов научных открытий, почетный профессор Шанхайской аэрокосмической академии, доктор физико-математических наук, профессор Юрий Кубарев, профессоры доктор физико-математических наук Константин Кирдяшев и доктор технических наук Вячеслав Смирнов.
Двигатели для расширения космических горизонтов
– Более 50 лет мировая космонавтика использует для космических полетов химические двигатели, почему сейчас потребовались электрореактивные?
Ю.К.: Еще до первого в мире полета человека вокруг земного шара, совершенного Юрием Гагариным 12 апреля 1961 года, Сергей Королев начал разработку программы пилотируемой экспедиции на Марс. Ее связывали тогда с созданием мощных жидкостных ракетных двигателей, если до намеченного срока старта марсианского корабля – 8 июня 1971 года – не удастся создать электрореактивные двигатели (ЭРД), работающие от солнечных или ядерных источников электропитания. Реализовать проект тогда не удалось, помешала «лунная гонка». И только теперь человечество, можно сказать, достигло космического возраста, чтобы оторваться от околоземной орбиты и полететь к другим планетам с помощью ЭРД, имея на борту дополнительную массу полезного груза вместо топлива для ЖРД.
В 2010 году были сформулированы технические предложения по проекту. С этого года началось экспертное проектирование. После его завершения станет известен облик транспортно-энергетического модуля, или «буксира». Первое «изделие» должно быть готово в 2018 году. Об этом говорилось с трибуны XXXIV Академических чтений по космонавтике. При этом было подчеркнуто, что планы одобрены политическим руководством страны.
С атомным реактором для космического корабля нет принципиальных затруднений. В период с 1962 по 1993 год в нашей стране был накоплен богатый опыт создания ядерного ракетного двигателя. Иначе обстоит дело с ЭРД.
С начала 60-х годов прошлого века в мире было разработано несколько типов электрореактивных двигателей: ионный (ИД), стационарный плазменный (СПД), двигатель с анодным слоем (ДАС), импульсный плазменный двигатель (ИПД), сильноточный (магнитоплазменный – МПД), магнитоплазмодинамический (МПДД). Но не все они способны работать в стационарном, частотном, высокочастотном (ВЧ) и сверхвысокочастотном (СВЧ) режимах, лишь у немногих можно управлять вектором тяги или удельным импульсом, не меняя режима работы двигателя, ну а возможностью одновременно управлять и вектором тяги, и удельным импульсом обладает в мире только один двигатель – МПДД. Тем не менее выбирать есть из чего.
Из лидеров – в аутсайдеры
– Почему наметилось отставание России в разработке ЭРД?
Ю.К.: Причины отставания – в ошибке, допущенной при выборе направления исследований. По-моему, в решении Проблемного совета отсутствует стратегия разработки и применения ЭРД различных типов. Основной упор делается на разработку СПД мощностью до 4,5 кВт и ИД мощностью 35 кВт с удельным импульсом 7000 сек., который по ряду причин не реализуем. И даже не упоминаются, например, МПД и МПДД, которые с 60-х годов прошлого века почти 30 лет разрабатывались в Научно-исследовательском институте тепловых процессов (НИИТП, ныне – Центр Келдыша).
Исходя из общего вектора исследований, ориентированных в первую очередь на создание ИД, руководство Центра Келдыша в 2009 году заявило, что аванпроект нового ИД разработан, он даже опробован в лабораторных условиях, «неразрешимых технических проблем не осталось». Однако и спустя два года, на X Международном авиационно-космическом салоне в 2011 году посетители увидели только плакаты транспортно-энергетического модуля с ИД. Оказалось, что концепции нет, что ее разработка завершится лишь в 2012 году.
С моей точки зрения, предложенный Центром Келдыша «ионник» получился слабым, его проектная мощность всего 35 кВт вместо заявленной 1 МВт. Он работает на редко встречающемся в природе и поэтому очень дорогом ксеноне вместо дешевого аргона. (В 1 куб. м воздуха земной атмосферы содержится 9340 куб. см аргона и только 0,09 куб. см ксенона. – «НВО»)
В России двигатели на ксеноне были испытаны за много лет до того, как их заново «открыли» в Центре Келдыша.
Возникает вопрос: а где же прогресс в научной работе Центра Келдыша за последние 20 лет? При таких скромных результатах впечатляет только размах официально продекларированной начальной суммы финансирования проекта – 17 млрд. руб. на 2010–2018 годы, а на 2012 год Роскосмосу выделено 565 млн. руб.
Лучший в мире мотор
– Чему нас учит зарубежный опыт и чем он полезен для нас?
К.К.: Ионные двигатели создавали и испытывали в США, Великобритании, Германии, Японии. В России в настоящее время достигнуты самые незначительные результаты.
Нигде они не достигли мощности не только мегаватта, но даже десятка киловатт, а максимальным удельным импульсом тяги 3800 сек. обладает только один американский ИД фирмы «Боинг» – XIPS-25. (Чем больше удельный импульс, тем меньше топлива надо потратить, чтобы получить определенное количество движения. – «НВО»).
Однако специалисты называют лучшим ИД другой американский двигатель – NSTAR. Он проработал 16 265 часов в качестве маршевого двигателя космического аппарата Deep-Space-1. Этот ИД имеет мощность 2,3 кВт и удельный импульс 3170 сек., рабочее тело – ксенон.
Гордостью Европейского аэрокосмического и оборонного концерна (European Aeronautic Defence and Space Company – EADS) может считаться ИД RIT-10, установленный на спутнике связи Artemis Европейского космического агентства. RIT-10 использовался в качестве маршевого двигателя. С его помощью удалось поднять орбиту спутника с 31 до 36 тыс. км, но он крайне маломощен и непригоден по ряду причин в качестве основы «марсианского двигателя».
В США в марсианских проектах, начиная с 80-х годов прошлого столетия, основное внимание уделяется магнитоплазменному двигателю с управляемым удельным импульсом (VAZIMR), разрабатываемому под руководством астронавта, доктора физики Франклина Чанг-Диаса. Этот двигатель, работающий на водороде, а в последнее время – на азоте и аргоне, основан на создании плазмы с помощью ВЧ и СВЧ методов и тепловом ускорении ее в неоднородном магнитном поле. Ранее NACA неоднократно сообщало о предполагаемом запуске на околоземной орбите двигателя VAZIMR мощностью порядка 10 кВт. Однако запуск его постоянно откладывается, и сейчас называется примерный рубеж – 2013–2014 годы. В этот период предполагается установить на МКС связку из двух VAZIMR общей мощностью примерно 200 кВт.
Ионники и СПД
– Почему ныне существующие ЭРД непригодны для дальних космических полетов?
К.К.: Принцип действия ИД связан с его основными конструктивными особенностями. В газоразрядной камере с помощью анодов и катодного блока, расположенных в магнитном поле, создается разреженная плазма. Из нее эмиссионным электродом «вытягиваются» ионы рабочего тела (азота, аргона, ксенона или другого вещества) и ускоряются в промежутке между ним и ускоряющим электродом. За ними устанавливается замедляющий электрод, выполненный в виде кольца, охватывающего пучок ионов. Эти три элемента составляют ионно-оптическую систему (ИОС). Из-за высокой разности потенциалов ионы газов разгоняются до больших скоростей, поэтому могут распылять материалы электродов (сеток), разогревать, деформировать и разрушать их, что может вызвать «короткое» замыкание электроцепи.
На сегодняшний день в мире созданы и достаточно хорошо отработаны ИД с рабочим размером ИОС до 35 см. Двигатели большего размера существуют лишь в единичных экземплярах на стадии лабораторных моделей.
В мегаваттной двигательной установке у каждого ионника рабочий диаметр ИОС должен составлять не менее 70 см, в его сетках должно быть около 36 500 отверстий. Сетки ИОС для их устойчивости имеют выпуклый вид, а отверстия в них должны строго совпадать по оси. Создание ИОС с диаметром сетки 1000 мм для двигателя большой мощности является, по мнению специалистов, практически нерешаемой технологической задачей. Но, судя по заявлениям представителей Центра Келдыша во время работы МАКС-2011, ими эта проблема уже решена. Создается впечатление, что с макетами ИД лабораторные исследования проводились не в полном объеме и без учета целого ряда факторов.
Вторая проблема в том, что двигательная установка должна состоять из 300–500 модулей. Это значит, что вспомогательная аппаратура системы электропитания и управления будет снижать надежность всей двигательной установки и увеличивать ее массу.
Третья проблема связана с нейтрализацией статических зарядов на крупногабаритном космическом корабле с ЯЭРДУ. Один из моих коллег разработал способ и устройство снятия статических зарядов с КА и провел с ним в космосе ряд экспериментов «Куст» и «Старт». Однако на практике это устройство не используется, а на МКС эксплуатируется американская система.
Наконец, во всех известных работах по ИД не затронута еще одна проблема – электромагнитной совместимости двигателей с системами космических аппаратов. Во время эксплуатации КА на околоземных орбитах нарушений радиосвязи при работе различных типов ЭРДУ не наблюдалось. В связи с этим у разработчиков и поставщиков перспективных двигательных установок бытует мнение, что это надуманная проблема, которой не следует заниматься. Однако это далеко не так.
На стендах трех институтов экспериментально установлено, что ионный двигатель является источником интенсивного электромагнитного излучения в диапазоне частот до 10 ГГц. Расчеты показывают, что при работе ИД устойчивая радиосвязь возможна на удалении КА до 5 млн. км. Для сравнения: минимальное расстояние от Земли до Марса около 56 млн. км, а максимальное – около 401 млн. км.
Кроме рассмотренных ионных двигателей с газовым разрядом, создаваемым с помощью традиционных катодных блоков, существуют ионные двигатели, основанные на высокочастотном разряде. У них еще больше недостатков, связанных с необходимостью решения проблемы электромагнитной совместимости.
Российский СПД – наиболее разработанный и единственный штатный двигатель с электромагнитным ускорением ионов. На Западе российские СПД пользуются большим спросом. По заказам отечественных и иностранных фирм в России выпускают свыше десятка конструкций современных СПД. Они используются в космосе для коррекции орбиты космических аппаратов (КА), для межорбитальной транспортировки и коррекции орбиты геостационарных КА, для довыведения КА с высокоэллиптической стартовой орбиты на геостационарную, для стабилизации положения геостационарных искусственных спутников Земли в рабочей точке и во многих других случаях. А СПД PPS-1350 был использован как главный двигатель лунного КА в рамках европейской программы SMART-1.
СПД создан профессором Алексеем Морозовым из Института атомной энергии им. И.В. Курчатова, за что более 20 лет назад Морозов был удостоен Государственной премии СССР. Двигатель Морозова основан на видоизмененной схеме двигателя с анодным слоем (ДАС), созданного профессором Аскольдом Жариновым в ИЭА им. И.В. Курчатова и затем исследованного в ЦНИИмаш. Жаринов за свой двигатель также был удостоен в 1991 году Государственной премии СССР. В последнее время в Центре Келдыша двигатели Жаринова и Морозова стали называть холловскими.
Ю.К.: Учитывая успехи и большой опыт России в создании стационарных плазменных двигателей, в Центре Келдыша на основе СПД сделали двигатель КМ-5, назвав его «холловским двигателем нового поколения с управляемым вектором тяги и удельным импульсом». К двигателю КМ-5 без учета его конструкции и свойств неправильно применили способ и устройство управления вектором тяги, эффективным для МПДД, которые были защищены выданными мне авторскими свидетельствами и внедрены в НИИТП еще в 1963 году. Основное изобретение, будучи закрытым в то время, спустя 35 лет в той же организации было фактически переоформлено совместно с иностранными исследователями в два патента на холловские двигатели (ускорители), которые не могут быть реализованы. Варианты управляющей вспомогательной магнитной системы, назвав их «азимутальной секцией», установили непосредственно на магнитную систему СПД. Однако в СПД по сравнению с МПДД из-за конструктивных отличий элементов и топологий магнитных полей управление вектором тяги не осуществляется. Более того, отклоненная струя плазмы на выходе из двигателя разрушит его керамическое сопло, нарушит работу катодов-нейтрализаторов и выведет двигатель из строя.
Несмотря на успехи и приоритет России в создании ДАС, СПД и МПДД, в Центре Келдыша по какой-то необъяснимой причине разрабатывают ионный двигатель, предложенный в США Гарольдом Кауфманом. К работе над ними привлекли в России иностранных ученых, видимо уже не надеясь на собственные силы. Так, в 2010 году заключили договор на три года с профессором Гиссенского университета Хорстом Лёбом. Для выполнения договора для него организовали специальную лабораторию. На 2011–2012 годы под руководством профессора Хорста Лёба было запланировано провести «широкий спектр работ» по теоретическим и экспериментальным исследованиям с объемом финансирования 150 млн. руб. В частности, лишь ставится вопрос обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных систем и ИД при формировании в камере ионизации высокочастотного электрического разряда. Но эта работа уже была проведена два десятка лет назад в России, поэтому сегодня известно, что совместимость можно обеспечить только для ИД с малой тягой, а не для мощной многомодульной двигательной установки из 300 ИД.
Ионные и холловские двигатели в принципе не позволят создать ЭРД мегаваттного класса для ЯЭРДУ. Таким образом, реализация в России проекта ЭРДУ мегаваттного класса на основе маломощных ионных и холловских двигателей невозможна и нецелесообразна с научной, технической и экономической точек зрения. В связи с этим необходимо осуществлять альтернативные проекты по созданию ЭРДУ межпланетных космических аппаратов.
Двигатель будущего
– Какой двигатель отвечает условиям межпланетных полетов?
Ю.К.: Впервые в мире магнитоплазмодинамический двигатель (ускоритель) МПДД был создан и испытан мною в Московском физико-техническом институте (МФТИ) в 1958–1959 годах. Одноступенчатые и двухступенчатые конструктивные варианты МПДД, способ и устройство управления вектором тяги усовершенствовались и использовались мной в лаборатории № 2 НИИТП с 1960 по 1967 год для получения потоков плазмы и высокоскоростных нейтральных частиц воздуха, аргона, азота, кислорода и других веществ. В результате проведенных исследований были выявлены многие особенности работы ускорителя основной схемы и неизвестные ранее явления и закономерности.
Кроме меня с МПДД на газах работали другие ученые из лаборатории № 4 НИИТП. Они дополнили мои исследования и получили новые результаты, которые в дальнейшем использовались для доказательства отдельных положений научного открытия, сделанного мною в области физики плазмы в период моей работы в НИИТП. Однако по решению руководства института вместо инертных газов стали в лаборатории № 3 использовать химически активные и токсичные вещества, работы в других лабораториях были прекращены. Литий считался на протяжении почти 30 лет основным рабочим телом в ЭРД. С моей точки зрения, это явилось серьезной ошибкой, которая затормозила и усложнила экспериментальное и теоретическое изучение физических процессов в МПДД, разработку на их основе мощных ЭРДУ.
На протяжении почти 30 лет в Центре Келдыша делали модели МПД и МПДД малой мощности, использующих в качестве рабочего тела агрессивные и вредные для КА рабочие вещества. Но мощные ЭРД так и не были созданы. Теперь там опять разрабатывают маломощные ионные и холловские двигатели, использующие дорогостоящие газообразные вещества, которые по экономическим причинам не применимы в ЭРДУ мегаваттного класса, то есть наступают на те же грабли.
В МПДД в зависимости от различных режимов работы струя плазмы может как отрываться от корпуса КА и тогда ускоритель становится двигателем, так и обволакивать его облаком, что и было установлено в результате лабораторных исследований и летных испытаний в серии экспериментов «Куст» (Кубарев, ускоритель, струя).
Разнообразные особенности МПДД позволили найти ему применение во многих областях науки и техники. Основная схема двигателя использовалась в натурных космических экспериментах, при разработке системы снятия статических зарядов с поверхностей космических аппаратов, при исследовании поведения антенн орбитальных станций «Салют-5», «Салют-6» и «Салют-7» и в других исследованиях. МПДД устанавливались на головных частях метеорологических ракет МР-12 и МР-20 и работали в космических условиях в стационарном, частотном и высокочастотном режимах, используя в качестве рабочего вещества воздух и аргон.
В МИРЭА и МГУПИ мною с коллегами разрабатывались различные способы и пути увеличения срока работы МПДД: использовались разные конструкции катодных узлов, создавались и испытывались одно- и двухступенчатые схемы МПДД, работающие на СВЧ разрядах. Эти исследования были прекращены к концу 90-х годов в основном из-за отсутствия финансирования. В настоящее время пытаемся их возобновить, используя полученные в последние годы результаты исследовательской работы.
В.С.: Основная задача состоит в увеличении срока службы катодных узлов МПДД. Для ее решения надо разработать основанные на СВЧ разрядах источники ионизации газа и высокоэффективные термоэмиссионные катоды с высокой экономичностью нагрева, плотностью тока эмиссии и устойчивостью конструкции к термоциклам. В настоящее время просматривается возможность успешного решения этих проблем на основе достигнутых результатов в создании СВЧ плазматронов, технологий и конструкций катодных узлов, используемых в производстве электровакуумных СВЧ приборов. Разработаны высокоэффективные металлопористые и оксидные катоды на основе плазменной технологии. Ресурсная долговечность катодных узлов в приборах достигает 10–100 тыс. часов, циклическая термоустойчивость – нескольких тысяч включений накала. Такие катодные узлы для КА имеют гарантированный срок службы 11–17лет.
Ю.К.: По моему глубокому убеждению, которое разделяют многие коллеги, сегодня для КА большой массы нужны сильноточные двигатели на основе различных модификаций МПДД. Они позволяют получать необходимые тяги и удельные импульсы для разгона космического аппарата в приемлемые интервалы времени. В этой связи является актуальным создание экспериментальных МПДД в качестве прототипов будущих ЭРД.
Можно было бы провести их комплексные испытания в космосе, например, на МКС, и выявить особенности взаимодействия создаваемых плазменных образований с корпусом станции, окружающей средой, а также их влияния на систему управления, измерительные приборы и другое оборудование. Необходимый для этих экспериментов МПДД мощностью до 10 кВт и массой 30–40 кг вместе с блоками электропитания и управления можно изготовить в короткие сроки, используя результаты космических экспериментов серии «Куст» и «Старт», проведенных, соответственно, в 1977–1979 годах и в 1987 году.
Но если мы действительно хотим построить эффективную систему глобального противодействия угрозам из космоса, а в будущем – полететь к Марсу и другим объектам Солнечной системы, необходимо уже сейчас начать создание 100-киловаттного ускорителя на основе ранее полученных нами результатов.
Из досье «НВО»
Создание и исследование ЭРД, основанных на различных схемах и механизмах ускорения заряженных частиц и плазмы, проводились за рубежом и в СССР во многих организациях нескольких ведомств. В 1991 году шесть исследователей были удостоены Государственной премии СССР за разработку физических основ ускорителей плазмы, в их числе – Константин Кирдяшев и Юрий Кубарев, создавший МПДД. Вячеслав Смирнов удостоен Государственной премии СССР за разработку катодных узлов для спецтехники, которые применимы также в ЭРД.
