Антон Первушин - Последний космический шанс
Первый атомный ледокол «Ленин»
Возможностью использования ядерной энергии для разгона ракет интересовался Вернер фон Браун, перед которым руководство Третьего рейха поставило задачу «достать» ракетой до Америки. Не мог обойти вниманием эту тему и Сергей Королёв, хорошо знакомый с трудами основоположников ракетостроения. Надо сказать, что в 1950-е годы в мире начался настоящий «атомный» бум. Из-за обострения геополитической обстановки, вызванного «холодной» войной, атомные арсеналы СССР и США росли как на дрожжах. Кроме атомной бомбы, появилась термоядерная. В 1946 году коллектив физиков Лаборатории № 2 Академии наук СССР запустил первый «урановый котел» Ф-1. В 1954 году начала работу первая АЭС в Обнинске. В 1959 году отправился в плавание первый атомный ледокол «Ленин». Как и в случае с ракетами, большинство подробностей создания новой техники было засекречено (по этой причине в советской периодике тех лет публиковалось намного больше материалов о западных технических достижениях, чем об отечественных). Но популяризаторы и фантасты все равно охотно писали о грядущей эре изобилия, которую обеспечит «внутриатомная» энергия. Благодаря их воображению и прекрасным иллюстрациям перед профанами представал светлый чистый мир, в котором индивидуальные коттеджи освещаются и отапливаются компактными реакторами, любой транспорт (автомобили, локомотивы, самолеты и корабли) перемещается на атомной тяге, огромные климатические установки, питаемые опять же атомной энергией, растопили вечную мерзлоту и озеленили пустыни, а Солнечная система покорена ракетами с атомными двигателями. Скептикам даже не нашлось что возразить на эти утопические зарисовки – достижения физиков говорили сами за себя. Действительно, сотни засекреченных конструкторов в те годы с воодушевлением трудились над проектами атомных автомобилей (“Ford Nucleon” и “Ford Seattleite XXI” компании «Форд»), атомных самолетов (М-30 и М-60 Владимира Мясищева, Ту-114, Ту-119, Ту-120 Андрея Туполева, YB-60 компании «Конвэр»), атомных танков (американские танки TV-1, TV-8 и советский ТЭС-3) и даже атомных пылесосов (проект компании «Левит»).
Почему же все эти атомные проекты провалились? Почему даже в XXI веке атомная энергетика не двинулась дальше электростанций, военных кораблей и субмарин? На это есть несколько причин, в том числе экономического характера, но я выделю две главные, которые с экономикой не связаны (как известно, в определенные исторические периоды экономическими соображениями с успехом пренебрегают). Прежде всего перед конструкторами транспортных реакторов во весь рост встала проблема управляемости. Атомный реактор – это не поршневой двигатель и не турбина, управлять которыми можно, просто снижая подачу топлива или впрыскивая воду. Тепло рабочему
телу передается не напрямую, а через массивные теплообменники – иначе вы получите непрерывный радиоактивный факел, загрязняющий все вокруг. Из-за теплообменников образуется запаздывание в контуре теплоотдачи, и реактор трудно контролировать на переменных режимах (особенно, когда речь идет об автомобиле, любая поездка на котором состоит из непрерывной череды разгонов и торможений). А снижение мощности реактора до определенного уровня или даже небольшая остановка может привести к его «отравлению» короткоживущими изотопами (так называемая «йодная/ксеноновая яма»), что на пару суток превращает весь агрегат в смердящий радиацией и совершенно бессмысленный металлический ящик. Разумеется, эту проблему можно обойти, однажды запустив реактор на маршевый режим, а при маневрировании мощностью использовать возможности второго, рабочего, контура. Однако именно в этот момент встает во весь свой могучий рост вторая проблема.
Если вы забыли за ненадобностью школьный курс физики, то напомню, что есть понятие коэффициента полезного действия (кпд), который характеризует (в самом общем определении) эффективность системы, преобразующей энергию в полезную нам работу. Кпд не может быть больше 100 % и в энергетических машинах редко достигает 50 %. Кпд рабочего контура, который подогревается реактором, заметно ниже 50 %, и дело не в утечках и потерях на трение (они как раз невелики), а в том, что законы физики в принципе не позволяют нам использовать всю энергию рабочего цикла: значительной частью мы должны пожертвовать в ходе самого преобразования энергии. Почему-то о кпд всегда забывают популяризаторы и фантасты, но о нем никогда не забывают инженеры. Понятно, что конструктор проектирует любой агрегат под максимальный кпд, но выдержать этот максимум можно опять же только на маршевом режиме. И опять же всегда подразумевается, что на переходных режимах снижения или увеличения мощности этот агрегат будет далек от максимальной эффективности, растрачивая энергию впустую.
Итак, в атомной транспортной установке мы имеем два агрегата: реактор, который должен работать без остановок на одном и том же режиме (чтобы не упал в «йодную/ксеноновую» яму) и двигатель, который часто работает на малоэффективных режимах и не может полноценно использовать энергию реактора. Вопрос: куда деть избыточную тепловую энергию? И еще один вопрос: куда деть ту часть энергии, которую мы в принципе не можем преобразовать в ходе рабочего процесса? На атомных электростанциях эти весьма значительные доли энергии научились сбрасывать в искусственные пруды-охладители. На кораблях и субмаринах таким охладителем служит окружающий океан. С автомобилями, танками, локомотивами и самолетами возникла загвоздка – предлагалось сделать дополнительную систему охлаждения, прокачивающую сквозь кожух реактора воздух с огромными скоростями (здесь нужны очень большие скорости, потому что воздух поглощает тепло на порядки хуже воды). Но даже далекий от инженерии человек сразу поймет, что такая система будет оглушительно реветь и загрязнять все вокруг продуктами ядерного распада. Посему конструкторы, испытав несколько прототипов, убедились, что быстрого надежного решения описанных проблем на данном этапе развития техники нет, и закрыли тему.
Американский атомный ракетный двигатель «NERVA»
Нечто похожее произошло и с атомными ракетами. Поначалу к идее отнеслись с большим энтузиазмом и в Соединенных Штатах, и в Советском Союзе. Американцы запустили программу «Ровер» (“Rover”), построили компактные реакторы, работающие на водороде (“Kiwi” и “Feb”), а также двигатели NERVA (англ. – “Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application”) к ним. Все они прошли наземные испытания во второй половине 1960-х годов, причем некоторые из установок работали десятки минут на полной мощности, показав очень неплохие характеристики по мощности и тяге. Аналогичным путем пошли и в СССР: начиная с 1958 года, советские ракетчики в кооперации с физиками прорабатывали проект ядерно-ракетной ступени, работающей на аммиаке. Несмотря на большие трудности и технологические проблемы, к концу 1970-х годов удалось провести несколько испытаний прототипа двигателя РД-0410 на Семипалатинском полигоне. Примечательно, что после испытаний к шахте, куда помещался прототип, запрещалось подходить в течение месяца из-за опасности радиоактивного облучения. Теоретически американские и советские двигатели можно было довести до ума и даже испытать в космосе. Однако конструкторы, решая проблему тяги, совсем не решали другую – сброса избыточного тепла.
Здесь мне кажется уместным развенчать еще один миф, связанный с космосом и космонавтикой. В очень многих фильмах и книгах, даже претендующих на документальность, можно встретить утверждение, будто бы одной из самых больших опасностей для космонавта является опасность замерзнуть, в некоторых случаях – мгновенно, до ледышки (при разгерметизации корабля). На самом деле в космосе куда проще перегреться. В этом убедились советские ракетчики, запустившие на орбиту в ноябре 1957 года собаку Лайку. Хотя официальная версия гласила, что собака прожила в космосе не меньше недели, на самом деле она погибла на третьи сутки полета от перегрева – «Спутник-2», на котором она летела, не был оборудован системой терморегулирования. Впрочем, на следующем научном «Спутнике-3» такая система уже была организована… В чем же тут проблема? Ответ прост: в космосе нет ни воды, ни воздуха, которые могли бы отвести тепло за счет естественной конвекции, поэтому единственный способ обмениваться теплом – излучение. А Солнце, как известно, излучает колоссальное количество тепла, которое и нагревает космические аппараты. Если на орбите от солнечных лучей можно на какое-то время спрятаться в тени Земли, что делать в межпланетном пространстве? Основоположники предлагали покрывать космические корабли светоотражающим составом, но это лишь полумера – куда деть тепло, которое излучают приборы и тела космонавтов? Решение нашли: с помощью специальной системы терморегуляции, которая имеет в своем составе пластинчатый радиатор, сбрасывающий избыточное тепло за счет излучения. Именно так предполагалось избавляться от избыточного тепла реактора в ходе межпланетного полета. Но именно радиатор и затормозил внедрение атомных реакторов в космонавтике.
