Вокруг Света 2006 №10 - Вокруг Света

До исследования подледной воды на Европе дело пока не дошло

С каким багажом лететь на Европу?

В 1970-х годах американские зонды Voyager 1 и Voyager 2, пролетавшие в окрестностях Юпитера, обнаружили ледяной покров на его естественных спутниках Каллисто, Ганимеде и Европе. В 1995 году на орбиту вокруг Юпитера была выведена автоматическая станция Galileo, которая зафиксировала признаки воды под ледяным покровом Европы. Ученые предположили, что в этой воде вполне могла зародиться жизнь, пусть и в самых примитивных формах. Именно в связи с этим стали разрабатываться проекты детального исследования ледяных лун Юпитера, в первую очередь Европы. Космические автоматы, которые побывали в этом районе Солнечной системы, можно пересчитать по пальцам. Даже самый крупный и сложный из них, Cassini, для исследования ледяного панциря Европы и жидкого океана под ним не пригоден. Для этого необходим переход на качественно новый уровень: станция должна быть сложнее и, соответственно, многократно тяжелее всех запущенных до сего дня зондов. Предполагается, что такая станция выйдет на орбиту спутника малой планеты и будет изучать ее с помощью мощного радиолокатора. По прогнозам, толщина ледяного покрова Европы составляет порядка 70—80 км. Таким образом, мощность излучения радара, который сможет «достать» до подледной воды, должна составлять несколько десятков киловатт, а масса научной аппаратуры, обеспечивающей его работу, — порядка тонны! Немаленьким должен быть и передатчик, который обеспечит непрерывную доставку научной информации на Землю. Для сравнения напомним, что масса приборов станции Galileo составляла всего 118 кг, а максимальная мощность системы энергоснабжения на основе радиоизотопных термоэлектрических генераторов во время полета около Юпитера не превышала 0,5 кВт.

Обходные пути

Чем же можно заменить обычные ракетные двигатели? Например, можно нагреть до высокой температуры сверхлегкие газы (водород, гелий, метан) и заставить их течь через сопло со скоростями в 2,0—2,5 раза выше, чем у химических ракетных двигателей. Это можно сделать с помощью либо компактного ядерного реактора, либо нагревательного элемента, работающего от солнечных батарей. Ядерные ракетные двигатели для пилотируемых экспедиций на Марс , которые так стремились осуществить США и СССР на заре космонавтики, активно разрабатывали в 1960—1970-е годы. Правда, из-за опасности радиационного заражения подобные работы были остановлены на фазе наземных испытаний.

Еще более экономичны и быстры плазменные и ионные электроракетные двигатели. В них поток заряженных частиц разгоняется до высоких скоростей с помощью электромагнитного поля, почти как в ускорителе элементарных частиц. Определяющим их тягу параметром оказывается мощность энергоустановки, создающей поле и разгоняющей частицы.

В начале 1960-х годов американские специалисты экспериментировали с компактными ядерными реакторами, оборудованными турбогенераторами. Они столкнулись с низкой надежностью и большими габаритами установки. Работы по улучшению характеристик системы требовали огромных финансовых вложений, и «аппетиты» пришлось ограничить сравнительно простыми радиоизотопными генераторами с полупроводниковыми термоэлектрическими преобразователями. Последние стояли на всех зарубежных аппаратах дальнего космоса — от «Пионеров» до «Кассини» .

Отечественные специалисты сконцентрировали внимание на термоионных и термоэмиссионных преобразователях, встроенных в активную зону реактора. Они позволили резко уменьшить габариты и массу радиатора-излучателя при довольно высоком КПД установки в целом.

Масса ядерной энергоустановки определяется ее максимальной мощностью, причем с ростом последней удельная масса системы снижается. Появляется возможность дать больше энергии на электроракетные двигатели, и это очень удачно: при увеличении мощности абсолютная и удельная тяга растут быстрее, чем масса двигателя. Поэтому, сохраняя неизменными величину тяги и время перелета, можно уменьшить необходимую массу топлива и выиграть в массе полезной нагрузки аппарата.

За такими двигателями — будущее, а наша страна, кстати, располагает уникальным опытом создания и эксплуатации реакторных энергоустановок в космосе. В 1960-е годы в СССР были разработаны ядерные энергоустановки «Бук» (с термоэлектрическим преобразователем мощностью 3 кВт) и «Тополь» (более известна как «Топаз», с термоэмиссионным преобразователем мощностью 5 кВт). Первый спутник с «Буком» был выведен на околоземную орбиту в 1970 году, а в период до 1988 года состоялись запуски в общей сложности 32 аппаратов данного типа. В 1987 году на орбиту были выведены два спутника с «Топазом». Для сравнения: единственный американский аппарат с атомным реактором SNAP 10A и термоэлектрическим преобразователем мощностью около 0,5 кВт был запущен США в 1965 году. Затем работы по ядерной энергетике в космосе в Америке надолго перешли в теоретическую плоскость и были возобновлены лишь в 2002 году в рамках программы «Инициатива по ядерным установкам».

Умеют у нас в стране делать и так называемые «стационарные плазменные двигатели» (СПД), имеющие на порядок большую удельную тягу, чем традиционные химические. Установки на их базе уже давно и успешно работают на многих отечественных и зарубежных спутниках. Удельная тяга, то есть отношение силы тяги к секундному расходу топлива, — важнейшая характеристика любого ракетного двигателя. Чем выше скорость истечения газов, тем выше тяга при одинаковом расходе топлива, а с ней и экономичность двигателя.

Орбитальная станция с ядерным реактором SNAP. Для безопасности реактор вынесен на штанге на 20 метров от станции. Эскиз проекта 1960-х годов

Ионные первопроходцы

Активные исследования в области электроракетных двигателей были начаты в СССР еще в первой половине 1960-х годов. Основной задачей для мощных «электрических ракет» в то время была пилотируемая экспедиция на Марс. Расчетные значения потребной удельной мощности (на уровне 10 МВт) и высокой удельной тяги почти однозначно определяли выбор типа двигателя — блок из 10—20 магнитоплазмодинамических (МПД) ускорителей. Исследовательский Центр имени М.В. Келдыша (в то время НИИ тепловых процессов), как головной институт космической отрасли, провел обширные теоретические и экспериментальные исследования МПД-двигателей. В первые 10 лет изучались различные рабочие тела, всевозможные конструктивные схемы, разрабатывались методы диагностики, была создана уникальная стендовая база. Позднее, в 1970—1980-х годах, было проведено более 20 летных испытаний МПД-ускорителей, созданных в Центре Келдыша. Также в нашей стране интенсивные исследования МПД-двигателей велись в НПО «Энергия», ЦНИИмаш, ОКБ «Факел», МАИ, МИРЭА и МГТУ. Интерес к разработке ракетных МПД в 1970-е годы заметно снизился, что было вызвано в первую очередь трудностями генерации требуемой мощности в космосе. Так что сейчас работы по большим МПД продолжаются только в МАИ. Стоит заметить, что наряду с такими очевидными достоинствами данного типа двигателей, как высокие электрическая мощность и удельная тяга, у них имеется и один крупный недостаток — малый ресурс работы. В более выгодном положении оказались так называемые «стационарные плазменные двигатели» (СПД). Установки на их базе уже давно и успешно применяются на отечественных спутниках (первое испытание прошло в 1972 году на борту аппарата «Метеор»). Штатная эксплуатация серийных СПД была начата в 1982 году со спутника «Поток», где они использовались для коррекции геостационарной орбиты по долготе (в направлении «восток-запад»). Позже СПД устанавливались на спутниках связи «Луч», «Луч-2», «Купон», «Ямал-100», «Ямал-200». С 1994 года в составе геостационарных аппаратов «Галс», «Экспресс», «Экспресс-А», Sesat и «Экспресс-АМ» в космосе эксплуатируются довольно мощные СПД, которые корректируют орбиту как по долготе, так и по наклонению (в направлении «север-юг»). Надо отметить, что все они получают питание от солнечных батарей. В настоящее время ведущие космические державы активно используют российские электроракетные двигатели на своих аппаратах. Уже в 2002 году предпринимались попытки вывести на геостационарную орбиту спутники Stentor и Astra 1K с нашими СПД, но оба аппарата были потеряны из-за аварий ракетносителей. В 2003 году Европейское космическое агентство запустило к Луне научный аппарат SMART 1, оснащенный двигателем PPS-1350, который стал результатом совместной деятельности российского ОКБ «Факел» и французской компании Snecma. С этого момента зарубежные спутники с российскими электроракетными двигателями на борту стали запускаться регулярно. В 2004 году в космос ушли сразу несколько подобных аппаратов. Так, в июне на «геостационар» выведены Intelsat 10-02 и Telstar 18, в августе — Amazonas, а в феврале 2005 года запущен АМС-12/ WorldSat 2. Не отстают и отечественные спутникостроители, которые оснащают мощными СПД спутники серии «ЭкспрессАМ», «Монитор-М» и другие. Разработчиком двигателей, установленных на борту указанных выше аппаратов, является ОКБ «Факел». В настоящее время активные работы по электроракетным двигателям также проводятся еще в двух организациях — в Центре Келдыша и ЦНИИмаш.