Россия может вернуть лидерство в освоении космоса

Совсем недавно, 27.04.2020 во время дежурства на сайте ПРоАтом [7] Хлюстин Денис Владимирович предлагал  обсудить следующие вопросы: ... 2. Ядерные ракетные двигатели для пилотируемых полётов в космосе: научная фантастика или  реальность?

Сегодня можно уверенно сказать, что России вышла на финишную прямую в освоении ионных двигателей, следующий шаг: с ядерными электрогенерирующими установками для скоростных полётов в космосе.

Будет ли Россия здесь первой в мире? Это зависит от руководства ГК Росатом!

Ионные двигатели серии ИД-200 пока могут применяться только для коррекции орбиты космических аппаратов, поскольку требуют мало топлива, но много электроэнергии.

До 16.06.2020 были проведены огневые испытания [2], которые прошли в ГНЦ  ФГУП  «Центр  Келдыша»  (входит  в  Госкорпорацию «Роскосмос»). ИД-200 КР имеет мощность до 3 кВт, удельный импульс тяги до 4500 секунд, блок управления расходом рабочего тела и разработанную НПЦ «Полюс» систему преобразования и управления СПУ-200 КР. В ходе испытаний отработаны алгоритмы управления двигателем. Также двигатель ИД-200 КР оснащен углерод-композитной ионной оптикой с повышенными механическими свойствами. На рис. 1 представлен главный узел испытуемого двигателя [2].

Рис. 1.

Для маршевого двигателя межпланетного перелёта такой двигатель не годится. На борту космического корабля от солнечных батарей просто не хватит для него электроэнергии. В данной статье показан в общих чертах вариант атомного двигателя, в котором совмещены процесс генерации электроэнергии большой мощности в условиях космоса и работа более мощного двигателя, прототипом которого является ИД-200 КР.

Обеспечив температуру плазмы около 100 тысяч градусов и достаточно большую её плотность, в конечном счете, можно обеспечить  скорость разгона космического аппарата до 400 км/сек [2].

Испытаниям подвергались сама конструкция ИД-200КР, см. рис.1 [1], блок управления расходом рабочего тела, система преобразования и управления СПУ-200 КР, углерод-композитная ионная оптика. Этот двигатель действительно превосходит "классические" аналоги по характеристикам. Ракетные двигатели, использующие твердое топливо, обладают удельной тягой 250 с, а двигатели, использующие смесь кислорода и водорода, порядка 450 с [3].

«100 тысяч градусов температуры рабочего тела помогут оснащенному такими двигателями кораблю достигнуть скоростей в диапазоне 100-400 километров в секунду, а то и больше. Вопрос - где взять энергию для такого двигателя? Энергию даст Ядерная энергодвигательная установка мегаваттного класса (ЯЭДУ)» – это информация  Института ядерной физики имени Г. И. Будкера СО PAH, г. Новосибирск, 2019 [5]. Действительно, в космосе кроме как от ядерного реактора (ЯР) в большом количестве неоткуда взять электроэнергии.   Прототипом ЯЭДУ может быть, например, Атомный двигатель Виноградова[6] с ионно-модифицированным теплоносителем.

В информационных сообщениях, без раскрытия технических характеристик двигателя, фактически всё повторяется, что принцип работы ионных двигателей основывается на ионизации газа и его разгоне с помощью электрического поля. Данные двигатели являются очень эффективными, поскольку потребляют относительно небольшое количество топлива, разгоняясь при этом до больших скоростей. При этом агрегатам требуется достаточно много энергии для разгона   ионов, в связи с чем, такие двигатели на данный момент используются в основном для управления искусственными спутниками и небольшими космическими аппаратами. На рис. 2 показан стыковочный модуль ИД-200 в монтажном цехе [1].

Рис. 2.

На рис. 3 показана сопловая часть модуля. Очевидно, что подавляющий объём модуля занимает система электрического разгона, которая потребляет большое количество электроэнергии.

Рис. 3.

При наружном диаметре модуля более 2 м диаметр сопла смотрится  миниатюрным. В  настоящее  время  в  «Центре  Келдыша»  ведется  активная  разработка  ионных  двигателей различной мощности. Особое внимание уделяется разработке и испытаниям модификаций ионных  двигателей  серии  ИД-200,  которые  могут  использоваться  для  коррекции  орбиты космических аппаратов, а также для реализации миссий по освоению дальнего космоса. Составные  части  электроракетной  двигательной  установки  планируется использовать в составе перспективных геостационарных  космических аппаратов.

Как работает ионный двигатель [4]

Принцип работы ионного двигателя и простой, и сложный одновременно. Он заключается в ионизации газа, который разгоняется электростатическим полем для получения реактивной тяги и разгона космического корабля согласно третьему закону Ньютона.

Топливом или рабочим телом такого двигателя является ионизированный инертный газ (гелий, аргон, неон, ксенон, криптон, оганесон, радон). Впрочем, не все инертные газы стоит использовать в качестве топлива, поэтому, как правило, выбор ученых и исследователей падает на ксенон. Также рассматривается вариант использования ртути в качестве рабочего тела ионного двигателя.

Во время работы двигателя в камере образуется смесь из отрицательных электронов и положительных ионов. Так как электроны являются побочным продуктом, их надо отфильтровать. Для этого в камеру вводится трубка с катодными сетками для того, чтобы она притягивала к себе электроны. Положительные ионы, наоборот, притягиваются к системе извлечения. После чего положительные ионы разгоняются между сетками, разница электростатических потенциалов между которых составляет примерно 1200 Вольт, и выбрасываются в качестве реактивной струи в пространство.

Из событий прошлого года

«Новосибирские физики подтвердили возможность создания плазменного двигателя» [5].

"Институт в конце прошлого года запустил уникальную научную установку, приближающую Россию к созданию термоядерного реактора. Установка СМОЛА (Спиральная Магнитная Открытая ЛовушкА) представляет собой плазменную ловушку, которая позволит осуществить проверку принципиально новой концепции улучшенного удержания термоядерной плазмы в линейных магнитных системах. Установка ориентирована на решение нескольких задача, в том числе создания прототипа двигателя для космических перелетов. Холдинг НПО "Энергомаш" в октябре сообщал, что планирует создать макет безэлектродного плазменного ракетного двигателя (БПРД) большой мощности и стенд для его испытаний, такие двигатели хорошо могли бы себя проявить на просторах Солнечной системы...

Первые эксперименты показали, что эффект (ионного разгона) существует. И космический мотор работает, и средство для уменьшения потерь плазмы тоже", - сказал ученый. Иванов отметил, что сейчас установлено штатное оборудование, в связи с чем, ученые готовятся к началу новых экспериментов на установке в январе 2019 года, которые должны в полном объеме продемонстрировать ее возможности. "Установка - демонстратор, прототип. Температура плазмы в ней 100 тысяч градусов и достаточно большая плотность. Для нейтронного источника это параметры, далеки от требуемых, а для двигателя это прямо то, что нужно", - сказал он. «Поскольку найти более "свежую" информацию по данному проекту в интернет-сети невозможно, можно сделать обоснованный вывод, что работы по данной теме вышли на финишную прямую. Такой у нас национальный обычай :). СТО тысяч градусов температуры рабочего тела помогут оснащенному такими двигателями кораблю достигнуть скоростей в диапазоне 100-400 километров в секунду, а то и больше. Вопрос - где взять энергию для такого двигателя? Энергию даст Ядерная энергодвигательная установка мегаваттного класса».

После успешных испытаний российского ионного двигателя ИД-200КР, сегодня настало время раскрыть возможность реализации некоторых моих старых идей по поводу электрообеспечения таких двигателей в условиях космического пространства. Предлагаю Вашему вниманию один из ранних вариантов конструкции ядерной электрогенерирующей установки (ЯЭУ) совмещенной с ионным двигателем, который в упрощенном виде показан на рис. 4.  В 2017 году эта конструкция  в НАО «СИЛА ОКЕАНОВ» имела название «Ионный ракетный двигатель с ядерной электрогенерирующей установкой Виноградова» (ИРД-ЯЭУ), и в тот момент опережала события по испытанию ионных двигателей на разных принципах, поэтому мы не стали продолжать эту тематику. Тогда просто не было спроса на это изделие и достаточных знаний о течении ионизированного теплоносителя через активную зону ядерного реактора. В то время учёными рассматривалось, по крайней мере, два варианта разгона плазмы. Сеточный и вихревой шнековый - без контактный. Успешных результатов испытаний ещё не было получено. Сейчас пришло время частично раскрыть реализацию идеи ЯЭУ в виде компоновочной конструкции и описания работы.

Рис. 4.

Обозначения на рис. 4: 1 - корпус; 2 - баллоны с теплоносителем №1; 3 - блок подпитки теплоносителя №1; 4 - баллоны с теплоносителем №2; 5 - корпус электрогенератора; 6 - блок преобразования напряжения; 7 - электрогенератор напряжения высокой частоты; 8 - приводной вал с сальником; 9 - термонеподвижная опора; 10 - водило колокола турбины; 11 - трубопровод подачи холодного газообразного теплоносителя №2 (рабочего тела); 12 - компрессорные лопатки внутри «колокола»; 13 - турбинные лопатки снаружи «колокола»; 14 - выхлоп газов турбины в теплообменник; 15 - активная часть теплообменника; 16 - газовый смеситель - инжектор с камерой ионизации; 17 - периферийная часть активной зоны ЯР для подогрева теплоносителя №1 на входе в турбину; 18 - центральная часть активной зоны ЯР для нагрева ионизированной смеси теплоносителей №1 и №2; 19 - промежуточная часть активной зоны ЯР для нагрева теплоносителя №1; 20 - экран радиационной защиты; 21 - сопло на входе в модуль ионного двигателя; 22 - ионный двигатель; 23 - сопловая часть ионного двигателя.

ИРД-ЯЭУ имеет следующие основные узлы:

Активная зона ядерного реактора, турбина-компрессор, теплообменник, электрогенератор, бортовой запас теплоносителей №1 и №2, ионизатор, ионный двигатель. Аппаратура управления, пороховой стартёр, силовые кабели, тепловые экраны и пр. на рис. 4 не показаны. ЯЭУ выполнена по одноконтурной схеме с разветвлением потоков теплоносителя. Газообразный теплоноситель №1 захватывается из объёма корпуса компрессором и под давлением направляется в активную зону напрямую или, вариант, через ионизатор. Далее этот поток в нагретом состоянии поступает на турбину. Далее с выхода турбины этот поток охлаждается в теплообменнике, происходит рекомбинация ионов и электронов, и он поступает обратно в корпус. Это замкнутый контур циркуляции теплоносителя №1, в котором поддерживается сверхкритическое давление для этого теплоносителя.

Часть теплоносителя №1 смешивается в смесителе - инжекторе с теплоносителем №2, и далее смешанный поток ионизируется и поступает для нагрева в центральную часть активной зоны, после чего он поступает на вход ионного двигателя. 

Активная зона (АЗ) ядерного реактора. В поперечном сечении АЗ имеет шестигранную форму и длиной по ходу потока теплоносителя (ТН), позволяющей создать требуемый его подогрев. В АЗ применена плотная засыпка шаровых твэлов с гидродинамически прозрачной оболочкой (твэл-ШГПО). В поперечном сечении АЗ разделена перегородками на три кольцевых части. В промежуточной части, рис. 4 поз. 19, происходит нагрев чистого теплоносителя №1 подаваемого компрессором напрямую или через ионизатор (вариант). Далее этот поток после разворота на 180 ⁰ поступает в периферийную часть АЗ, поз. 17, где происходит его подогрев до требуемой температуры на входе в турбину. В центральной части АЗ, поз. 18, производится нагрев ионизированной смеси теплоносителей №1 и №2, поступающей из газового смесителя - инжектора с камерой ионизации.

Далее ионизированный поток, подогретый в центральной части АЗ до требуемой температуры, направляется через сопло на входе в модуль ионного двигателя. Твэлы-ШГПО позволяют изменять в нужную сторону распределение энерговыделения между частями АЗ, как по радиусу, так и по ходу потока теплоносителя в зависимости от его свойств. Корзина АЗ выполнена из жаропрочных материалов и способна «дышать» при быстром разогреве, что позволяет запускать и выводить реактор на полную мощность за секунды. АЗ со стержневыми твэлами, например, конструкций НИКИЭТ или "Westinghouse" в проекте "eVinci", столь быстрого разогрева без растрескивания оболочек твэлов не дают. Особо нагретые элементы корзины предполагается покрывать нестехиометрическим карбидом гафния HfC_0.98 [8], который в настоящее время является самым тугоплавким материалом.

Турбина-компрессор. Выполнены в виде безвальной конструкции, т.е. ротор  и  статор  компрессора  и  турбины  выполнены  по принципу  «колокол  в  колоколе».  На  роторе -  «колоколе»  установлены  диски  с рабочими  лопатками, с внутренней стороны для компрессора, с внешней - для турбины.  Эта  турбина  обладает  значительно  большей  площадью поверхности удержания у  газового подшипника вращения  (ГПВ) по сравнению с вальной  конструкцией  турбины.  Площадь  удержания  практически  охватывает всю  поверхность  ротора  турбины  («колокола»). ГПВ  позволяет  исключить  трение  между  ротором  и  статором турбины  даже  при  значительных  осевых  и  поперечных  динамических  нагрузках. Ротор  «колокол»  надежно  удерживается  на  оси  вращения.  Сама  конструкция «колокола»  ротора,  газовых  протоков  в  нём,  и конструкция мест  крепления  лопаток ступеней  компрессора  на  периферии  ротора  создаёт  высокое  давление, которое удерживает ротор на оси вращения. Безвальная  конструкция  турбины  является высокотехнологическим  изделием,  она  легче,  проще  и  дешевле  при  серийном  и массовом изготовлении, и обладает лучшими техническими характеристиками по сравнению с известными аналогами вальной конструкции.

Теплообменник. Теплообменник предназначен для сброса, не использованного тепла на выходе из турбины в космос. Сброс тепла производится непосредственно через стенку корпуса установки, а более конкретно, через участки повышенной теплопроводности. Корпус выполнен из композитных материалов, которые не обладают требуемой теплопроводностью, но зато делают его прочным и легким. Поэтому в корпусе имеются участки повышенной теплопроводности, располагаемые на цилиндрической поверхности напротив теплообменника и имеющие, со стороны охлаждаемого потока газа из выхлопа турбины, разветвлённую поверхность конвективного теплообмена, а со стороны космоса инфракрасные излучатели (ИИ). ИИ имеют складную конструкцию и раскрываются в космосе перед запуском реактора. Поверх ИИ имеется защитный кожух, который скидывается в космосе. Мощность ядерного реактора ограничивается количеством тепла, которое можно излучением сбросить в космос. Других ограничений нет.

Электрогенератор. Электрогенератор (ЭГ) выполнен без металлических магнитопроводов статора и ротора, что делает его лёгким. Обмотки ЭГ выполнены из сверхпроводящего материала. ЭГ приводится во вращение высокооборотной турбиной. ЭГ может вырабатывать электроэнергию до 8 МВт с напряжением по форме, амплитуде и частоте, подходящим для ионизатора и ионного двигателя.  ЭГ, см. рис. 4 поз.7, имеет герметичный корпус поз. 5, в котором также находится блок поз.6 с полупроводниковым криогенным преобразователем напряжения. Корпус имеет внутреннюю криогенную тепловую защиту. Перед запуском ЭГУ из ресиверов поз.4 поступает сжиженный теплоноситель №2, который своим кипением охлаждает все содержимое корпуса поз.5 до температуры возникновения эффекта сверхпроводимости в обмотках ЭГ и преобразователе напряжения. Далее газообразный теплоноситель №2 поступает в смеситель - инжектор поз.16, после которого производится ионизация смеси из теплоносителей №1 и №2.

Бортовой запас теплоносителей №1 и №2. Теплоносители находятся в ресиверах поз. 2 и поз. 4. Если теплоносители находятся в них в газообразном состоянии под большим давлением, то хранение модуля может быть на складе достаточно длительным. Но при этом масса теплоносителей меньше, чем хранение в жидком виде. Если теплоносители хранить в сжиженном состоянии, что позволяет вместить большее их количество, то заправку их вынуждены производить непосредственно перед использованием модуля или делать систему дозаправки жидким теплоносителем во время хранения. Теплоноситель №1 работает практически в замкнутом контуре циркуляции, но имеет утечку в расход для смешения с теплоносителем №2. Для сохранения в корпусе сверхкритического давления теплоносителя №1 использован блок автоматической подпитки поз. 3.

Ионизатор. Ионизатор, который расположен на выходе потока теплоносителя №1 из компрессора на входе в промежуточную часть АЗ, выполняет его ионную модификацию. Электроны из потока не удаляются и поступают вместе с положительными ионами в АЗ. В турбине и после турбины в потоке происходит обратная рекомбинация ионов. Ионизатор, который расположен в смешанном потоке теплоносителя №1 и №2, имеет улавливатель электронов, поскольку они негативно влияют на работу ионного двигателя. Извлечение электронов из ускоряемого потока положительно заряженных ионов в реактивной струе двигателя приводит к постепенному накоплению отрицательного заряда на всём модуле. Одним из вариантов устранения этой проблемы это создать ещё один ускоритель для электронов, и выбрасывать их в космос в виде отдельной реактивной струи, которую можно использовать, например, для коррекции траектории полёта.

Ионный двигатель. Все вопросы по ионному двигателю прошу направлять разработчику - в ГНЦ  ФГУП  «Центр  Келдыша»   Госкорпорации «Роскосмос».

Ожидаемые характеристики ЯЭУ. В габаритах модуля: диаметр 2 м длина 5 м  ЯЭУ сможет вырабатывать электроэнергии до 8 МВт в течение не менее 12000 сек. В заключении статьи для сравнения импульсов тяги привожу характеристики Российских лучших в мире ракетных двигателей, см. фото-слайд (рис.5) из семинара НИЦ «Курчатовский институт» от 26.04.2019 г.

Рис. 5

PS. Жду от читателей конструктивной дискуссии и дельных советов, мнений и расчетов.

Ссылки:

1. Успешно прошел огневые испытания новый российский ионный двигатель _ Военное дело.pdf

2. Российский ионный ракетный двигатель успешно прошел огневые испытания - Телеканал «Наука».pdf

3. В России успешно испытан ионный двигатель ИД-200 КР - ПолитЭксперт.pdf

4. Как работает ионный двигатель и где он применяется _ Нанотехнологии Nanonewsnet.pdf

5. Почти термоядерный двигатель из Новосибирска.

http://www.sid-science.info/ru/institutes/theworldnews-net-novosibirsie-fiziki-27122018

6. PRoAtom - Атомный двигатель Виноградова.pdf

7. PRoAtom - Дежурный по сайту Хлюстин (про ракетные двигатели).pdf

8. Российские материаловеды разработали материал с рекордной температурой плавления _ Нанотехнологии Nanonewsnet.pdf