Атомный энергетический модуль ТЭМ

Проекты использования ядерных энергетических установок в космосе неоднократно рассматривались ведущими космическими странами. В России последнее время получил известность  проект энергетического модуля для обеспечения энергией задач различного назначения под названием «транспортный энергетический модуль» (ТЭМ)

Предполагается, что транспортно-энергетический модуль, это прорывная разработка, которая может существенно продвинуть вперед возможности освоения околоземного пространства и обеспечить полеты к более дальним объектам солнечной системы. Указ о начале разработки Транспортно-энергетического модуля был подписан в 2010 году президентом России Д. Медведевым.

Разработка разделена между структурами Росатома и Роскосмоса. От Росатома участвует ОАО «НИКИЭТ», которое создает реакторную установку. ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» занимается созданием электроракетных двигателей. Головным предприятием в разработке всего остального корабля в настоящее время является КБ «Арсенал». К началу 2013 года завершилось эскизное и началось рабочее проектирование оборудования.

Разработчики начали изготавливать первые узлы для проведения испытаний. В НИИАР на исследовательском реакторе МИР в 2013 году начались испытания теплоносителя для реакторной установки. В июле 2014 года в ОАО «Машиностроительный завод» была завершена сборка первого тепловыделяющего элемента (ТВЭЛ) будущего реактора.

В соответствии с результатами дополнения к эскизному проекту, выпущенному в 2016 году, реализация проекта возможна в 2025 году.

Краткое описание проекта атомного буксира.

Модуль оснащен высокотемпературным газоохлаждаемым реактором тепловой мощностью 4 МВт. Электроэнергия будет генерироваться двухконтурным турбомашинным преобразователем на основе газодинамического цикла Брайтона, электрической мощностью в 1 МВт. Он же будет выполнять функцию компрессора теплоносителя.

 

Транспортно-энергетический модуль будет оснащаться электроракетными двигателями большой мощности. Двигатели будут размещаться на четырех штангах, по шесть двигателей на каждой. Дополнительно будет установлено восемь двигателей меньшей мощности, для корректировки курса.

Рабочим телом в двигателях будет ксенон, но рассматриваются и альтернативные варианты с использованием лития и натрия.

Расчетное время работы модуля составляет 10 лет. Запускаться он будет с помощью ракет-носителей семейства «Ангара». Предполагается, что модуль будет трансформируемым, то есть при запуске он будет находиться в сложенном виде под головным обтекателем ракеты-носителя, а на орбите раскладываться в рабочее положение.

Сферы применения

 

Варианты применения ТЭМ весьма обширны. Он может использоваться как орбитальный буксир для доставки спутников с низкой орбиты на геостационарную или любую другую. Это позволит уменьшить стоимость запуска спутников связи и других аппаратов, использующих ГСО.

Космические аппараты для дистанционного зондирования Земли и исследования космоса, на базе ядерной энергоустановкой нового поколения типа ЯЭУ-25М (разработчик — ОАО «Красная Звезда»), могли бы работать гораздо более длительное время, чем существующие КА.

Актуально использование таких ТЭМ в интересах решения задач радиоэлектронной борьбы (РЭБ) в космосе и из космоса, требующих высоких уровней мощности передатчиков помех, а следовательно, и значительной бортовой энергетики.

В настоящее время ни у одной страны мира нет гражданских спутников с ядерной энергетической установкой. Практически все космические аппараты, за исключением межпланетных станций, используют солнечные батареи. Однако из-за низкой плотности потока солнечного излучения эти батареи имеют крупные габариты, поскольку они должны запасать энергию в аккумуляторах на время работы в тени. Масса одного такого спутника может составлять около 7,6 тонны, со сроком активного существования не менее семи лет.

Ядерный реактор, установленный на модуле можно использовать и как дополнительный источник энергии. Энергоустановка может передавать до 225 кВт для питания полезной нагрузки. (Подробнее о КЯЭУ можно прочитать, например, здесь).

Наибольшие ожидания связаны, конечно же, с межпланетными путешествиями. Открываются реальные перспективы колонизации Луны. Стоимость отправки грузов на Луну на ядерном буксире, по сравнению с традиционными ракетами, уменьшится в два раза.

Станет возможен пилотируемый полет на Марс и полеты к астероидам. Транспортно-энергетический модуль дает 20-кратное увеличение экономической эффективности и 10-кратное увеличение электрической мощности на космическом корабле.

В ТЭМ будут широко применяться нанокомпозитные материалы, устойчивые к износу и нагрузкам. Вполне возможно, что эти элементы найдут свое применение в земных сферах деятельности. На основе таких энергетических установок возможно создание компактных электростанций для Луны или труднодоступных земных районов.

За последние годы в рамках проекта пройдено два важных этапа: создана уникальная конструкция тепловыделяющего элемента, обеспечивающая работоспособность в условиях высоких температур, больших градиентов температур, высокодозного облучения. Также успешно завершены технологические испытания корпуса реактора будущего космического энергоблока. В рамках этих испытаний корпус подвергали избыточному давлению и проводили 3D-измерения в зонах основного металла, кольцевого сварного соединения и конического перехода.

И вот, в 2018 году в России испытана система охлаждения ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) — одного из ключевых элементов ТЭМ. В частности, были протестированы экспериментальные образцы генератора капель, элементов заборного устройства и модели холодильника-излучателя. Появление эффективной системы охлаждения снимает практически все препятствия для создания ЯЭДУ. Мощность первой установки составит 1 МВт, но в будущем увеличится в десять раз. В рамках этого проекта, специалисты изготовили и испытали экспериментальные образцы генератора капель, элементов заборного устройства (гидросборника) и модели капельного холодильника-излучателя (КХИ).

В акте приёмки, размещённом на сайте госзакупок «Роскосмоса», сообщается: «Были выявлены закономерности функционирования элементов и узлов перспективных систем отвода тепла ЯЭДУ мегаваттного класса в наземных условиях, максимально приближенных к условиям космического пространства».

Последний вариант модуля ТЭМ был представлен на выставке МАКС-2019 на стенде КБ «Арсенал». По-видимому, это не последний вариант и в процессе дальнейшей проработки подход к конструкции может поменяться. Однако не подлежит сомнению, что одной из труднейших задач при реализации проекта станет задача вывода модуля ТЭМ на орбиту, подготовка и запуск его в работу.

Зарубежные проекты

За рубежом также ведутся работы по созданию компактного реактора для космических кораблей. В Европейском Союзе они пока находятся в начальной стадии. Страны ЕС только разрабатывают «дорожную карту» подобного проекта. Вполне вероятно работают над этой темой и в Китае.

В 1970-е гг. СССР и США вели параллельную разработку реакторов, и надо сказать СССР выбился в лидеры в этой отрасли. В настоящее время Россия по-прежнему сохраняет свои позиции и компактные энергоустановки, разрабатываемые в РФ, являются самыми передовыми на сегодняшний день.

Проблемы доставки ТЭМ на орбиту

Модуль ТЭМ, можно казать, классический образец крупногабаритной конструкции, которую необходимо развернуть на околоземной орбите. И трудности предстоят здесь огромные. Последние конструкторские проработки, показывают, что габариты и массы ТЭМ, превышают возможности не только существующих средств доставки, но и перспективных разработок, к каковым относится тяжелая ракета носитель «Ангара-5». Конструкторы пытаются решить их за счет создания складной конструкции, вписывающейся в возможности ракеты «Ангара-5». Но трудности здесь колоссальные, что связано не только с созданием как можно более легкой конструкции, вписывающейся в нужные габариты, но и с созданием супернадежных телескопических ферменных механизмов. Особенно большие трудности вызывает создание конструктивного решения надежных раздвигающихся трубопроводных магистралей при развертывании ТЭМ из транспортного положения в рабочее.

Не менее технически трудной задачей является обеспечение запуска в эксплуатацию сложнейшей системы блоков, узлов, механизмов и систем различного назначения на орбите в условиях, когда любой отказ может привести к выходу из строя всего ТЭМ, а в худшем случае, и к катастрофе.

В связи с этим имеет смысл рассмотреть возможность орбитальной сборки подобных КА и разработки роботизированных средств, предназначенных для выполнения сборочных и ремонтных операций в опасной космической среде при наличии мощного источника радиоактивного излучения.

 

Еще более технически трудной задачей является запуск в эксплуатацию сложнейшей системы блоков, узлов, механизмов и систем различного назначения на орбите в условиях, когда любой отказ может привести к приведению всего ТЭМ в неработоспособное состояние, а в худшем случае, и к катастрофе.

Отчетливо очерчиваются преимущества космического производства при создании аппаратов, предназначенных для работы в этой среде. Сборка такого оборудования в условиях его дальнейшей эксплуатации (невесомость и глубокий вакуум), способна значительно облегчить калибровку. Также благодаря невесомости можно не заботиться о специальных конструкциях, служащих для удержания оборудования в подвешенном состоянии на этапе сборки.

Отсутствие пространственных ограничений и веса дают возможность строить объекты любого размера, а отсутствие атмосферы по многим показателям уменьшает материалоёмкость и износ производственного оборудования, в частности, коррозию, и увеличивает его долговечность.

Обслуживание, ремонт и защита ТЭМ

По всей видимости, вопросы, связанные с эксплуатационным обслуживанием, ремонтом, и защитой от различных угроз для ТЭМ пока не рассматривается совсем, так как все усилия направлены на решение принципиальных проблем с его созданием и запуском на орбиту. Однако эти вопросы неизбежно потребуют своего решения не в такой уж далекой перспективе, особенно если такая конструкция должна обеспечивать интересы военного космоса.

Так, Пентагон впервые более чем за три года начал пересмотр своей космической программы в связи с потенциальной военной угрозой для своих спутников со стороны России и Китая, сообщает американское издание SpaceNews.

Новая стратегия будет разрабатываться под руководством министерства обороны США по нескольким направлениям способам защиты спутников-разведчиков и военных спутников от нападения. По словам правительственных и отраслевых источников, изменения могут также включать разработку более продуманной политики в области наступательной тактики в космосе.

Не приходится сомневаться, что при появлении крупногабаритных конструкций на орбите, неизбежно встанет вопрос о создании средств, обеспечивающих их долговременное обслуживание и защиту от всевозможных угроз.

Следовательно, обеспечение на орбите всех перечисленных выше задач, и в частности ТЭМ, длина которого в собранном состоянии достигает без малого 60 м, потребует создания орбитального обеспечения в виде сервисно-сборочного комплекса, оснащенного оборудованием нового поколения, в том числе, и дистанционно-управляемыми автономными робототехническими системами.