Тред №272693

Часть 1

Пусть и длинно, не хочу резать ни слова:

Анатолий Зродников: космос - дело общее

В этом году российский ядерный космос отметил славный юбилей - 40 лет с момента запуска на околоземную орбиту первой ЯЭУ БЭС-5 ("БУК") и начала наземных энергетических испытаний реактора-преобразователя "ТОПАЗ".

Вспомнить о том, как начиналась советская космическая атомная программа, и поделиться своими мыслями о будущем любезно согласился непосредственный участник событий тех лет Анатолий Васильевич ЗРОДНИКОВ.

Разведка без батарей

Анатолий Васильевич, первый вопрос - по истории. С чего начинался ядерный космос?

Прежде всего отмечу, что исторические аспекты продвижения ядерной энергии в космос и участия нашего института в этих работах подробно и интересно описал Виктор Яковлевич Пупко в своей книге личных воспоминаний "История работ по летательным аппаратам на ядерной энергии для космических и авиационных установок в ГНЦ РФ - ФЭИ" (Обнинск, ФЭИ-2002). Каждому, кто интересуется космической ядерной энергетикой, рекомендую непременно почитать эту книгу.

Что же касается вопроса, с чего начинался ядерный космос, можно сказать и так - с американцев. В 1965 году 3 апреля они запустили в космос реактор SNAP-10A. Это первый космический реактор, а также первая (и единственная) американская ядерная энергетическая установка, побывавшая в космосе. Она имела мощность 500 Вт при массе около 500 кг и проработала на околоземной орбите 43 дня. В дальнейшем американская космическая программа была полностью переориентирована на РИТЭГи - радиоизотопные термоэлектрические генераторы.

А мы в том же году по закрытой программе запустили свой корабль. Борт без ядерной энергоустановки, с химическим источником тока. Мы вели наземную отработку элементов ЯЭУ и сначала стремились испытать в космосе основную систему, то есть, бортовой комплекс с радаром, способным глобально контролировать акваторию мирового океана. Отлаживалась часть, которая называлась "полезный груз". Мы в те времена отставали в электронике, впрочем, и сейчас не особо догоняем.

Под какие задачи предполагался космический реактор?

Начну издалека. Разрешение радиолокационного изображения, грубо говоря, обратно пропорционально квадрату расстояния до объекта. То есть, чем больше расстояние, тем хуже картинка. Нужное разрешение достигается аппаратурно, то есть, за счёт электроники, которая доступна на данный конкретный момент.

С электроникой же были сложности - низкая радиационная стойкость. Космос - крайне неприятная среда для деликатных электронных приборов со сверхчистыми материалами, так как высокоэнергетические частицы, входящие в состав космической радиации, повреждают и быстро выводят их из строя.

А от нас в конечном итоге требовалось различать объекты определённого размера, важные для оборонных целей. Частично компенсировать эти факторы было возможно за счёт использования более мощного источника питания радара.

То есть, солнечных батарей не хватало, и поэтому потребовался реактор?

Не совсем так. Солнечных батарей в принципе хватало бы, но на тот период у них были два фундаментальных недостатка. Первый - низкий КПД при большой деградации (10% и более в год). Второй недостаток - большая парусность.

Для работы радара нужно много энергии, поэтому на корабле требовались панельные батареи большой площади. Но большая площадь означает большой парус, а парус, в свою очередь, приводит к торможению низкоорбитального корабля даже в сильноразреженной атмосфере. Причём, чем ниже орбита (а вы не забыли, что нашему кораблю нужно было находиться как можно ниже, чтобы чётче "видеть" акваторию?), тем большее торможение испытывает объект и тем больше нужно брать на борт топлива, чтобы "подгонять" постоянно тормозящийся корабль, удерживая его на рабочей орбите.

Современные батареи обладают значительно лучшими рабочими характеристиками, но в 60-ые годы их не было.

Поэтому логика, приведшая нас в своё время к осознанию необходимости установки ядерных реакторов на советских разведывательных спутниках, была необычайно проста. Если энергетику корабля обеспечивать солнечными батареями, то ему придётся находиться на высоких орбитах, и разрешение аппаратуры окажется недостаточным. А если он с батареями начнёт летать низко, то долго он не пролетает.

Был ещё и третий фактор - цикличность работы солнечных батарей. Мы называем это режимом "солнце-тень". За 24 часа (земные сутки) на низких орбитах спутник делает 16 оборотов вокруг планеты (и соответственное число раз пересекает терминатор - границу солнца и тени, так что на корабле проходит как бы 16 "бортовых" суток). В тени солнечные батареи, естественно, не работают.

А если поставить на борт корабля аккумуляторы?

Так и поступают - ставят так называемые буферные аккумуляторы. И мы так делали, и сейчас так делают. Проблема в том, что аккумуляторы имели неудовлетворительные эксплуатационные характеристики - занимали много места, были тяжёлыми, очень чувствительными к количеству циклов "заряд-разряд" и не выдерживали в требуемых режимах работы.

Добавлю ещё одну претензию к солнечным батареям. Корабль должен стабилизироваться по тангажу и крену, а батареи - поворачиваться, отслеживая постоянно меняющееся направление на Солнце. Каждое импульсное срабатывание микродвигателя системы ориентации и стабилизации корабля равносильно удару молотком, после которого солнечные панели с консольным закреплением, подобно камертону, долго резонируют ("звенят") на собственных частотах. И это очень мешало, так как координаты корабля требовалось определять максимально точно.

Компактная реакторная установка с термоэлектрическим преобразователем во всех этих смыслах была выигрышным решением, так как единственное, что в ней двигалось - это теплоноситель. Правда, и здесь возникали свои трудности.

Дело в том, что теплоноситель в космической ЯЭУ прокачивается электромагнитным насосом, а сама установка вместе с кораблём движется в магнитном поле Земли. Поэтому пришлось на корабле принимать меры по компенсации и кинетического момента циркулирующего теплоносителя, и магнитного момента БЭС-5.

В частности, магнитное поле БЭС-5, создаваемое рамкой "электромагнитный насос - насосная секция термопреобразователя" с током порядка 1500 ампер, компенсировалось постоянным магнитом, ориентированным соответствующим образом.

Космические особенности

Казалось бы, силы не столь большие и не должны были бы влиять на движение тяжёлого корабля…

По поводу незначительных, на первый взгляд, явлений могу рассказать вам об одном эффекте, который я рассчитывал лично.

На первых же лётных испытаниях были зафиксированы периодически возникавшие возмущения реактивности, которые отсутствовали при работе установки в наземных условиях. Анализ выявил чёткую корреляцию возникновения возмущений с моментами срабатывания жидкостных реактивных микродвигателей (ЖРД) системы ориентации и стабилизации корабля.

Одна из первых моделей механизма возмущений строилась в предположении, что при срабатывании любого ЖРД, двигаясь с ускорением вместе с кораблём, активная зона реактора "выталкивается" из собственного нейтронного облака.

То есть, сам реактор движется вперёд, а нейтроны остаются на месте?

Примерно так. Получается, что из активной зоны исчезает часть нейтронов, и реактор "приглушается". Проходит возмущение мощности реактора.

Никогда бы не подумали, что может существовать такой эффект, если честно!

Более детальный анализ всё же показал, что в условиях реальных ускорений, создаваемых микродвигателями системы ориентации и стабилизации корабля, в реакторе на быстрых нейтронах масштаб этих эффектов должен быть существенно ниже масштаба наблюдаемых.

А истина оказалась не менее интересной и состояла в следующем.

В наземных условиях люфты и зазоры в конструкции исполнительных механизмов системы управления и защиты реактора (СУЗ) всегда "выбраны" силой тяжести, тогда как в невесомости стержни регулирования имели возможность "плавать" в пределах зазоров и люфтов конструкции.

Нейтронный газ оказывает давление на органы регулирования, отжимая их всё время в одну и ту же сторону - от центра реактора к периферии (плотность нейтронов в центре активной зоны выше, чем на периферии, а стержни регулирования космического реактора располагаются в боковом отражателе, где градиент нейтронного поля максимальный).

В момент срабатывания любого микродвигателя активная зона реактора, жёстко связанная с поворачивающимся вокруг своего центра тяжести кораблём, приближается к стержню со стороны поворота, и реактор получает возмущение по реактивности, причем всегда положительное.

Средняя длительность временного промежутка между срабатываниями микродвигателей стабилизации курса и тангажа корабля составляла несколько десятков секунд. За это время, то есть, к моменту следующего срабатывания, постоянно действующая на органы регулирования сила давления нейтронов возвращала органы работающего реактора в исходное "раздвинутое" положение, и при очередном срабатывании процесс повторялся.

Силы давления нейтронов относительно невелики по абсолютным значениям. Тем не менее, система управления реактором вынуждена была отрабатывать их эффекты, что сильно увеличивало загруженность электродвигателей исполнительных механизмов стержней управления. Температура электродвигателей исполнительных механизмов достигала критических значений. В итоге конструкторам пришлось добавлять в конструкцию СУЗ специальные пружины.

В космосе другие условия, чем на Земле. Те явления, которыми в обычных условиях можно не учитывать, в невесомости становятся существенными.

Уточняющий вопрос по органам СУЗ. Как вводились стержни в активную зону? Ведь гравитации нет…

Конечно, земной гравитации в космосе нет, и под собственным весом стержни падать не могли. Реактор БЭС-5 регулировался изменением утечки нейтронов из активной зоны. Поэтому, чтобы уменьшить реактивность, располагаемые в отражателе нейтронов стержни регулирования выводились из него (утечка нейтронов при этом увеличивалась) и вводились, если требовалось увеличить реактивность, электродвигателями исполнительных механизмов.

Ещё одна интересная отличительная черта космических реакторов - у них синхронно с периодом обращения корабля вокруг Земли колебалась средняя температура. Почему? Потому что менялся режим внешнего теплового облучения корабля.

Причина колебаний заключалась в следующем. С одного квадратного метра холодильника-излучателя нашей ЯЭУ при средней температуре поверхности излучалось около 13 кВт, а солнечная постоянная на орбите Земли (суммарный поток солнечного излучения, проходящий за единицу времени через единичную перпендикулярную потоку площадку), как известно, равна 1,37 кВт/м2, или 10% от нашего излучения. Поэтому в режиме "солнце-тень" отклонения были небольшие, на 5-10°C, но они были.

Колебания значительно больших амплитуд присутствовали в системах термостатирования приборного отсека. Там размещалась электронная аппаратура, и куда-то требовалось отводить теплоту, образующуюся в процессе её работы. Системы термостатирования имеют низкую температуру излучающей поверхности, поэтому режим "солнце-тень" играет для них существенно большую роль.

Какой была средняя температура холодильника-излучателя?

Это второй контур, и у БЭС-5 температура составляла, если не ошибаюсь, 300-350°C. У "Топаза" была повыше, потому что в нём реактор и холодильник работают в едином контуре, так что средняя температура теплоносителя в холодильнике в точности совпадала с таковой в реакторе. У БЭС-5 же имелось два контура, в первом, реакторном средняя температура равнялась 650°C, а температурный перепад на термопреобразователе (разность температур между контурами) составлял примерно 300°C.

Холодильник у БЭС-5 пришлось сделать большим по размерам. Деваться было некуда. Стояла задача отводить в космос неиспользованную в процессе преобразования теплоту, а чтобы сделать это, требуется или площадь, или температура. Температуру поднимать было нельзя, так как если увеличить температуру "холодных" спаев термопреобразователя, то он выйдет из строя. Пришлось наращивать площадь.

Добавлю, что для "Топаза", благодаря определённым техническим решениям, удалось создать более компактный холодильник, и излучение с него было примерно до 25 кВт/м2.