proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Журналы Атомная стратегия 2024 год
  Агентство  ПРоАтом. 27 лет с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





PRo IT
Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС

Вышла в свет книга Б.И.Нигматулина и В.А.Пивоварова «Реакторы с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. История трагедии и фарса». Подробнее 
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия»
и сайта proatom.ru.
E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
Время и Судьбы

[20/09/2012]     55 лет Космической Эры (продолжение)

Д.И.Мант, Санкт-Петербург

Начало

Ориентировочным маршрутом был выбран следующий:
                   1977  г. - старт с Земли;
                   1979  г. - пролет мимо Юпитера;
                   1981  г. - пролет мимо Сатурна;
                   1985  г. - пролет мимо Урана;


1989 г.- пролет мимо Нептуна и пересечение орбиты  Плутона. Следующее такое благоприятное расположение планет будет только в 2155 г.,  то есть  через полтора века. Для выполнения этого проекта американцы запустили четыре автоматических межпланетных станции:

                   АМС «Пионер-10» -  3.03.1972;
                   АМС «Пионер-11» -  6.04.1973;
                   АМС «Вояджер-1» -  5.09.1977;
                   АМС «Вояджер-2» -  20.08.1977.


Рис.8  Траектории полета АМС «Пионер» и АМС «Вояджер»

АМС «Пионер-10» в феврале 1976 г. прошла мимо планеты Сатурн,  в июле 1979 - мимо планеты Уран и 13 июля 1983 г. вышла за пределы Солнечной системы. АМС «Пионер-11» в декабре 1974 г. прошла мимо планеты Юпитер,  а в сентябре 1975 г. прошла около планеты Сатурн.

Информационные данные, полученные в ходе полетов «Пионеров», использовались для программирования полетов «Вояджеров», «Галилея» и «Кассини». АМС «Вояджер-1» и «Вояджер -2» в 1979 г. прошли около Юпитера,  в 1981 г. – около Сатурна,  в 1986 г. – около Урана и в 1989 г. – около Нептуна  и вышли за пределы Солнечной системы.

Условной границей Солнечной системы считается расстояние, равное среднему радиусу орбиты Нептуна,  что составляет 4 млрд 500 млн км. Точная дата прохождения аппаратом «Вояджер-1» гелиопаузы - границы Солнечной системы впервые была приведена 23 сентября 2005 г. в статья о полете межпланетного зонда в журнале «Science»: 16 декабря 2004 г. С этого момента с «Вояджер-1» перестала поступать какая-либо информация о внешней среде.

15 августа 2006 г., в конце 29-го года полета американская АМС «Вояджер-1» удалилась от Солнца на 100 а.е.

Полеты «Пионеров» и «Вояджеров» представляют классический пример реализации первого этапа алгоритма С.П. Королева – изучение траектории полета к планетам.

Научный руководитель проекта «Вояджер» Эдвард Стоун был убежден в том, что мощности бортового радиоизотопного источника питания хватит для преодоления расстояния в 100 а.е. Единственное, что нельзя было предсказать, это сохранение исправности бортовых систем, круглосуточно работающих в космической среде уже почти три десятилетия. Ресурсы сети дальней связи (DSN) NASA зарезервированы для работы с аппаратами «Вояджер-1, 2» до 31 декабря 2010 г. По пути, проложенному «Пионерами» и «Вояджерами»,  8 августа 1989 г. отправилась АМС «Галилей».

6 декабря 2011 г. аппарат «Вояджер-1» добрался до региона стагнации - последнего рубежа, отделяющего КА от межзвездного пространства [сайт Американского космического агентства]. Регион стагнации, протяженность которого пока не известна, - это область с довольно сильным магнитным полем (давление заряженных частиц со стороны межзвездного пространства заставляет поле, создаваемое Солнцем, уплотняться). Аппарат зарегистрировал примерно стократный рост числа высокоэнергетических электронов, которые проникают в Солнечную систему из межзвездного пространства. КА может выйти в межзвездное пространство в течение нескольких месяцев или через несколько лет.  В апреле 2010 г. «Вояджер-1» покинул гелиосферу - область космического пространства, в которой скорость солнечного ветра отлична от нуля. Чтобы убедиться, что ветер действительно успокоился, ученые несколько раз поворачивали аппарат.  В настоящее время «Вояджер-1» находится на расстоянии 119 астрономических единиц (расстояний от Земли до Солнца) от нашей планеты.  Предполагают, что связь с космическим аппаратом будет поддерживаться до 2020 г.

Российские космические аппараты «25 лет не летали к другим планетам, если иметь ввиду последнюю успешную программу «Вега», позволившую изучить Венеру и комету Галлея» [В.Хартов, Генеральный конструктор  НПО им. Лавочкина].

Спутниковые системы

С начала космической эры создание и запуск разведывательных спутников стало одним из главных направлений развития космических программ  США и СССР. Четко выделились два направления: связь и фоторазведка. Связь обеспечивали спутники-ретрансляторы, фоторазведку - спутники фоторазведки.

13 декабря 1962 г. в США был запущен ИСЗ «Relay-1» — первый активный ретрансляционный спутник. В СССР первым спутником-ретранслятором стал ИСЗ «Молния». Систематические запуски ИСЗ серии «Молния» начали проводиться с 23 апреля 1965 г.



Рис. 9 Спутник «Relay-1»;  спутник «Молния»

Одним из основных условий успешности  деятельности спецслужб является постоянство  слежения за     контролируемыми объектами. Это  требование могли обеспечить только  геостационарные спутники.

В 1945 г. Артур Кларк (1917-2008) в статье «Ретрансляторы вне земли» на основе математических расчетов обосновал концепцию геостационарных спутников, вращающихся на орбите, позволяющей им находиться неподвижно относительно поверхности Земли и служить ретрансляторами радиосигналов.  Эта орбита получила название орбиты А. Кларка. Геостационарная орбита — это пояс на высоте  приблизительно 35786 км над экватором Земли. Спутники, обращающиеся по орбите с периодом, равным периоду обращения Земли, с нулевым эксцентриситетом и наклонением, являются геостационарными ИСЗ. Орбитальный ресурс современных геостационарных КА составляет 12 - 15 лет.

19 августа 1964 г. на промежуточную эллиптическую орбиту был выведен ИСЗ «Синком-3» (США), предназначенный для экспериментов по транстихоокеанской связи. 22 декабря 1975 г. на геостационарную орбиту был выведен первый советский спутник «Радуга».



Рис.10 Спутник «Синком-3»; спутник  «Радуга»

История спутников  фоторазведки началась  за 100 лет до запуска первого искусственного спутника Земли. 23 октября 1855 г. Гаспар-Феликс Турнашон зарегистрировал патент № 38.509 на систему аэростатической фотографии из гондолы летательного аппарата для нужд картографии и наблюдения за территорией. Спустя год с высоты 80 м он сделал снимки парижских улиц. В 1954 г. США сформировали программу «Перспективные разведывательные системы», в рамках которой реализовывались два проекта разведывательных ИСЗ: «Самос», находившийся в ведении ВВС США, и «Corona», решавший задачи ЦРУ. Спутники «Дискаверер» предназначались для отработки методов военной космической фоторазведки (спутники-шпионы). На ИСЗ проводились также исследования возможности полета животных и человека в космическом пространстве.  Запуск 28 февраля 1959 г. первого ИСЗ «Дискаверер-1» стал началом большой серии /38 спутников/, осуществленной в довольно короткие сроки - 3 года. 

 16 ноября 1963 г. начались летно-конструкторские испытания космического аппарата детальной фоторазведки 11Ф69 «Зенит-4». В рамках программы «Янтарь» (начало 1964 г.) было создано  новое поколение спутников оптической разведки. Первое поколение спутников обзорной фоторазведки 11Ф61 «Зенит-2» и детальной фоторазведки 11Ф69 «Зенит-4» было разработано в ОКБ-1 под руководством С.П.Королева.  В 1962–1963 гг. работы по «Зенитам» были переданы в филиал №3 ОКБ-1 в Куйбышеве, где по документации ОКБ-1 был налажен выпуск ИСЗ «Зенит-2». По эскизному проекту ОКБ-1 там же велась разработка конструкторской документации и изготовление ИСЗ «Зенит-4». В 1964 г. приказом министра обороны №0045 комплекс обзорной фоторазведки «Зенит-2» в составе КА 11Ф61 и РН 11А92 был принят на вооружение Советской Армии.    По сравнению с американскими спутниками-фоторазведчиками серии «Corona» эти аппараты были довольно велики (масса 4700–4800 кг). Министерство обороны СССР выдало задание на разработку новой серии спутников обзорной и детальной фоторазведки «Космос».

 Создание спутниковых систем связи-ретрансляции и фоторазведки  стало научно-технической и технологической базой  современных спутниковых систем. Благодаря созданию систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ),  начиная буквально с запуска первых ИСЗ, изучение Земли вышло на новые этапы  исследований, невозможные раньше. То же относится и к спутниковым системам связи. Степень проникновения мобильной связи в мире почти подошла к 1. Это означает, что почти на каждого жителя Земли приходится по одному сотовому телефону – материализованный итог 55 лет Космической эры.

Ядерные реакторы космического назначения

Радиоизотопный генератор SNAP-3 (Systems for Nuclear Auxiliary Power) был запущен в космос в 1961 г. и стал первой энергетической установкой подобного типа, использованной на орбите (в навигационных спутниках «Transit 4A, 4B»). На базе «снэпов» строились ядерные реакторы (первый – в 1959 г., SNAP Experimental Reactor, SER). SNAP-10A – первый полноценный ядерный реактор был отправлен в космос в 1965 г. на ракете «Atlas-Agena D». Вместо расчетного года он проработал всего 43 дня. Реактор на тепловых  нейтронах использовал обогащенный до 10% уран-235 в качестве горючего, гидрид циркония в качестве замедлителя и натрий-калиевый теплоноситель. Но КПД был всего 1,5%. 

 Наша страна располагает уникальным опытом создания и эксплуатации реакторных энергоустановок в космосе. В 1960-е гг. в СССР были разработаны ядерные энергоустановки «Бук» и «Тополь» («Топаз»). Советский космический реактор БЭС-5 «Бук», серийно производившийся с 1970 г., отличался несколько лучшими характеристиками. При тепловой мощности 100 кВт в электрическую форму полупроводниковым термоэлектрическим генератором переводилось около 3 кВт. «Бук» предназначался для питания радиолокационной аппаратуры спутников-шпионов и представлял собой миниатюрный реактор на быстрых нейтронах. Уран был обогащен до 90%, замедлитель не использовался, что позволяло снизить массу конструкции. Теплоносителем служил калий-натриевый сплав. КПД на уровне 3%.

Первый спутник с «Буком» был  выведен на околоземную орбиту в 1970 г. До 1988 г. состоялись запуски 32 аппаратов этого типа.

В дальнейшем совершенствование реакторов космического назначения велось путем включения в кон­струк­цию термоэмиссионного преобразователя (проект «Топаз», 1980-е гг.), по­зво­ляющего повысить КПД, увеличить ресурс и уменьшить массу и габариты установки. Количество урана-235 удалось снизить до 11,5 кг (против 30 кг у «Бука»), электрическая мощность составила от 5 до 6,6 кВт (при тепловой 150 кВт). В 1987 г. на орбиту были выведены два спутника с «Топазом». Не только СССР, но и США тратили огромные деньги на создание космических ядерных двигателей: проекты «Орион» (с ядерно-импульсным двигателем) и «Прометей» (с ядерной установкой на борту).

Но у ядерных космических источников энергии был ряд недостатков, препятствовавших их внедрению: масса реактора примерно на порядок больше, чем у радиоизотопной батареи при существенно меньшей надежности. SNAP-10A вышел из строя в результате сбоя управляющей аппаратуры. Аварии подобного рода в космосе вполне вероятны, так как могут провоцироваться воздействием самого реактора на электронику: жесткие требования к массе не позволяют установить противорадиационную защиту. Ионизирующее излучение из активной зоны исключает применение ядерных реакторов на пилотируемых кораблях.

Невелик и срок службы реактора – всего около года. Извлечение отработанного горючего и перезаправка на орбите не рентабельны. Один год – это слишком мало. Миссии космических аппаратов, направляющихся к Юпитеру, Сатурну, Плутону, продолжаются гораздо дольше.  Ядерный реактор не может составить конкуренцию радиоизотопному источнику энергии, способному проработать 30–40 лет, прежде чем генерируемая мощность упадет вдвое. Актуальной остается и проблема утилизации реакторов, выполнивших свою задачу. Практикуемый с 1970-х гг. перевод активной зоны на «орбиту захоронения» высотой 1000 км означает лишь отсрочку их возвращения на Землю.

Последним американским аппаратом, использующим плутониевую батарею, стал «Mars Science Laboratory». Причиной вероятного отказа США от использования генераторов такого типа может стать отсутствие запасов плутония-238 у США. Проблема наметилась еще в 2006 г. Запуск аппарата «New Horizons», предназначенного для исследования окраин Солнечной системы, неоднократно откладывался из-за отсутствия у NASA 11 кг плутония, необходимых для заправки термоэлектрического генератора. Предпринимаемые с 2009 г. попытки возобновить производство плутония-238 путем переоборудования исследовательских реакторов не увенчались успехом из-за недостаточного финансирования. Запасы оружейного плутония очень велики. Но 239-й изотоп не годен для использования при производ­стве радиоизотопных источников энергии. 238-й изотоп с периодом полураспада всего 88 лет может быть получен на специальных установках в результате нейтронного облучения нептуния-237. Для получения 20 г плутония 100-граммовую нептуниевую мишень необходимо облучать в течение трех лет.
Выбор изотопа для радиационного генератора энергии представляет собой решение оптимизационной задачи.

Изотопы с периодом полураспада, исчисляемым тысячелетиями, удобны и безопасны, но малоэффективны. Батарея на основе оружейного плутония будет весить тонны. 10 кг плутония-238 можно заменить 40 г полония-210 (время полураспада 138 суток). Но полониевые генераторы непригодны для длительных миссий. Идеальным считается период полураспада в несколько десятков лет.

Значение имеет и характер ядерных реакций. Бета-распад (типичные представители – кобальт-60, стронций-90 и цезий-137) менее эффективен. Энергию альфа-распада с образованием тяжелых альфа-частиц (ядер гелия) утилизировать гораздо проще. 

Вне конкуренции в качестве перспективного источника энергии уран-232 с периодом полураспада 67 лет – немногим меньше, чем у плутония-238. Но уран выделяет в восемь раз больше энергии.
                                                                    
По мнению академика РАН Н. Пономарева-Степного, «мы превзошли американских коллег (работы по ядерным ракетным двигателям развивались в СССР более 50 лет назад). СССР реализовал космические ядерные энергетические установки, которые обеспечивали решение определенных задач в околоземном пространстве. Это разведывательные спутники. Развивалось и уникальное направление – установки с прямым преобразованием энергии, т.е. использование энергии ядерного реактора для получения электрической энергии. Технический задел у нас создан. И он, конечно, будет очень полезен для решения современных уникальных космических задач».

Снова заговорили об экспедициях к Марсу и Луне. Ставятся вопросы о возможном электроснабжении Земли из космоса, о борьбе с астероидно-кометной опасностью.

Но сегодня у нас неэкономичные транспортные средства. Из каждых 100 тонн, улетающих с Земли, в полезную нагрузку превращается в лучшем случае 3% (для всех современных ракет). Космические аппараты с ЯЭУ могут обеспечить значительный прогресс в исследовании планет Солнечной системы, создании лунной базы, в проведении научных высокоэнергетических экспериментов в космосе.

Выступая в МГУ с лекцией, посвященной американским планам пилотируемых       исследований космоса, член спецкомиссии НАСА по пилотируемым полетам Эдвард Кроули подчеркнул, что ни одна страна не в силах       самостоятельно осуществить пилотируемый полет к Марсу. В этом проекте должны объединить усилия США, Россия, Европа, а возможно, что и Китай.

"Может быть востребован российский опыт в сфере разработки ядерных  двигателей, так как у неё очень большой опыт, как в разработке ракетных двигателей, так и в ядерных технологиях". 

В 2010 г. президент РФ распорядился создать космический транспортно-энергетический модуль на основе ядерной энергетической установки мегаваттного класса. Этот аппарат должен иметь ЯЭУ мощностью 150–500 мВт. Масса аппарата – 20 т, ресурс – 10–15 лет. На разработку всего проекта потребуется 17 млрд рублей на девять лет. 

Идея применения ядерных двигателей на космических аппаратах не нова: решение о разработке ядерных ракетных двигателей в СССР в 1960-е гг. принимали еще академики М.Келдыш, И.Курчатов и С.Королев. На заре космической эпохи ученые пытались создать ядерный ракетный       двигатель, в котором рабочее тело, создававшее тягу, нагревалось непосредственно в реакторе. Однако такие установки давали "выхлоп" крайне высокой радиоактивности. Новый проект предполагает использование ионных электрореактивных двигателей, в которых реактивная тяга создается за счет ускоренного электрическим полем потока ионов. Ядерный реактор "поставляет" необходимый для этого процесса электрический ток, и радиоактивные вещества не попадают во внешнюю среду. Предполагается, что рабочим телом в двигателе будет ксенон. В соответствии с картой проекта на 2018 г. планируется подтвердить повышение, по сравнению с традиционными, уровня электрической мощности космических систем в 30 раз и экономичности маршевых двигательных установок в 12 раз.

Итоги  Космической эры

К основным итогам  Космической эры на сегодняшний день можно отнести следующее:

- человек открыл путь во Вселенную;

- никогда ранее в истории человечества не наблюдалось такого мощного ускорения научно-технического прогресса, как за последние полвека. Классическое подтверждение закона перехода количества в качество. Накопленные в предыдущие века знания  о Земле: по астрономии, физике макро- и микромира, математике, биологии, другим наукам, - материализовались в искусственные спутники Земли, автоматические межпланетные станции, полеты человека в космос, постоянно действующие космические станции на околоземных орбитах. На базе космических технологий создана  мировая информационная  инфраструктура (Интернет и пр.), обусловившая не только мощный научно-технический прогресс, но и повлиявшая на направленность мировых социальных процессов. На повестку дня встал вопрос о формировании новых социально-экономических формаций. Казалось бы, отвлеченная наука о звездах впрямую повлияла на  эволюцию человеческой цивилизации.

- запуск первого искусственного спутника Земли послужил спусковым механизмом взрывного развития потребительского общества. Космические технологии, внедренные в бытовую индустрию, в течение 20-40 лет обеспечили потребности современного человека, начиная от дезодорантов, памперсов, застежек-липучек и ноутбуков, до навигационных систем для управления полетами самолетов,  автотранспортом, судами.

Выступая перед сотрудниками Космического центра Кеннеди во Флориде, президент США Барак Обама заявил: «Мы собираемся скакнуть в будущее! К середине 2030-х гг. мы сможем послать людей на орбиту Марса. К 2025 г. будет разработан новый космический аппарат для длительных путешествий, который позволит начать пилотируемые миссии за пределами Луны». Обама делает ставку на новые ядерные двигатели. И американцы уже тратят миллиарды долларов на разработку этих технологий.

Россия тоже разрабатывает новый корабль − перспективную пилотируемую космическую систему (ППКС) – для доставки космонавтов и грузов на околоземную и окололунную орбиту. Но США идут дальше. Они ставят своими целями Марс и дальний космос.

Космонавтика является наиболее комплексным стимулятором развития различных отраслей науки и техники. Реализация планов Обамы по полетам в дальний космос будет способствовать, в том числе, созданию новых видов оружия.

Российские ученые ждут космического прорыва отечественной космонавтики. Он нужен всей стране. Для выращивания совершенных кремниевых кристаллов для солнечных батарей  с КПД преобразования света в электричество до 30% (большинство сегодняшних солнечных батарей на основе кремния имеют КПД не выше 15–16%) необходимы особо чистые условия, максимально приближенные к идеальному вакууму, что можно достичь только в космических лабораториях. Этот проект интересен всему мировому научному сообществу, поскольку в космических лабораториях можно выращивать не только пленочные структуры. В сверхчистых условиях можно производить глубокую очистку материалов, создавать металлические пленки, диэлектрики и фоточувствительные среды. Одна из самых перспективных разработок в космосе – производство лекарств, позволяющее на порядки снизить стоимость и сроки создания уникальных препаратов.
 
По мнению автора, пилотируемая космонавтика и ракетная техника (в части ракет-носителей) к 2012 г. достигли своеобразного предела, определяемого уровнем состоянием современной науки и техники. Наблюдается снижение интенсивности космических полетов, научных исследований космоса. Основные проекты были начаты и реализованы в первые десятилетия Космической эры. В последующие годы, вплоть до сегодняшнего дня, происходил процесс масштабирования и модернизации того, что было сделано или задумано С.П. Королевым и Вернером фон Брауном. По-видимому, это свидетельствует о завершении процесса накопления эмпирических данных. Происходит познание закономерностей основных научно-технических проблем, связанных с полетом человека  в околоземный космос.  С помощью космических орбитальных обсерваторий идет углубленное познание Вселенной. Разрабатываются модели будущих космических исследований.

Дальнейший подъем в сфере космических исследований можно ожидать после перехода транспортных космических систем на атомную энергетику.
 

 
Связанные ссылки
· Больше про Физики и Мироздание
· Новость от proatom


Самая читаемая статья: Физики и Мироздание:
Падают ли тела на Землю с одинаковым ускорением?

Рейтинг статьи
Средняя оценка работы автора: 0
Ответов: 0

Проголосуйте, пожалуйста, за работу автора:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

"Авторизация" | Создать Акаунт | 0 Комментарии
Спасибо за проявленный интерес





Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(921)9589004
E-mail: info@proatom.ru, Разрешение на перепечатку.
За содержание публикуемых в журнале информационных и рекламных материалов ответственность несут авторы. Редакция предоставляет возможность высказаться по существу, однако имеет свое представление о проблемах, которое не всегда совпадает с мнением авторов Открытие страницы: 0.05 секунды
Рейтинг@Mail.ru