Про реактор - 2
Начало
Окончание
Где же выход?
Как видите ситуация такова: космические аппараты выводятся на орбиты с помощью тяжелых ракет. После выведения они не имеют возможности делать сколько-нибудь резкие маневры, если только для этого не предусмотрен запас топлива, масса которого сравнима или превышает массу полезной нагрузки. Можно ли с этим что-то сделать? Давайте посмотрим еще раз на формулу Циолковского:
Чтобы V получилось побольше, можно попробовать увеличить I - скорость истечения газов из сопла. В обычном ракетном двигателе эта скорость ограничена скоростью теплового движения молекул продуктов горения. Тепловое движение тем сильнее, чем выше температура и чем меньше масса молекулы. Для реакции химического горения потолок уже почти достигнут - можно увеличить скорость истечения на проценты, но не в разы.
Есть другое решение проблемы, уже проверенное на практике - электрические ракетные двигатели. Этим термином называют различные конструкции, назначение которых - создавать тягу, отбрасывая рабочее тело при помощи электромагнитных сил. Существуют разные способы ускорить вещество при помощи электричества. Сейчас чаще всего его ионизируют и разгоняют электрическим полем.
Теоретически электрические двигатели позволяют получить любую скорость истечения, вплоть до скорости света. На практике достигаются значения 200 км/с - почти в сто раз больше, чем на химии. Есть один недостаток: такие двигатели развивают очень маленькую тягу. В земных условьях ее даже измерить не так-то просто, однако в космосе, работая много часов без перерыва, электро-реактивный двигатель может сообщить аппарату заметное ускорение. Самое главное - расход рабочего тела минимален. Космолет ускоряется не спеша, однако способен на значительные маневры даже с маленьким баком.
Наглядная демонстрация данного принципа - зонд SMART-1, который Европейское Космическое Агентство запустило к Луне в 2003-м году. Этот аппарат был выведен ракетой-носителем на геопереходную орбиту. Напомню, это вытянутая эллиптическая орбита, верхняя точка которой находится на высоте около 35 тысяч километров, а нижняя - несколько сот километров от поверхности Земли. Зонд включил электрореактивные двигатели и добрался до Луны за 14 месяцев. При движении он совершил много-много оборотов вокруг Земли, каждый виток удаляясь чуть дальше. Достигнув области, где притяжение Луны пересиливает земное, зонд совершил замысловатый маневр и вышел на лунную орбиту. После этого ему оставалось только затормозить, чтобы уменьшить высоту над поверхностью естественного спутника Земли.
На все про все ушло 74 килограмма ксенона, которые позволили изменить скорость зонда суммарно на три с половиной километра в секунду. Правда, сам зонд - не такой уж большой, вместе с топливом 367 кг. На полет до Луны ушло всего 16% массы аппарата. Химическому двигателю для такого же маневра потребуется истратить гораздо больше топлива - 65% от массы. Если мы хотим еще и вернуться - химическое топливо должно составлять примерно 88% от массы. Используя электро-реактивные движки, можно слетать к Луне и назад, используя массу рабочего тела, составляющую всего 30% от массы ракеты.
Космический корабль Союз весит чуть больше 7 тонн. Чтобы свозить его к Луне и назад (с выходом на низкую орбиту Луны), потребуется 53 тонны химического горючего, либо всего 3 тонны рабочего тела для электро-реактивного движка. Правда, пилотируемый полет по этой схеме невозможен. Смарту потребовалось 4 месяца, чтобы преодолеть радиационные пояса. Железку не жалко, а человек не выдержит такую дозу облучения. Конечно, можно запускать пилотируемые корабли по быстрой траектории на химических двигателях, а грузы возить на электрических. Можно даже организовать экспедицию к Марсу, так, чтобы тяжелый марсианский космолет преодолевал радиационные пояса без экипажа, а космонавты догоняли его на маленьком корабле вроде Союза. Вероятно, космонавтика будущего и будет построена на таком принципе, но пока тяжелые конструкции не улетают за низкую околоземную орбиту.
А можно ли увеличить тягу электрических движков? Скажем, поставить не 1 двигатель, а 10, 100? К сожалению, нет, и вот почему. Сила тяги определяется формулой F=m*I - она пропорциональна расходу рабочего тела m и скорости истечения I. А мощность, необходимая для выброса рабочего тела, задается формулой P=m*I^2/2 - тот же расход, только умноженный на квадрат скорости истечения (и поделенный на два, но это не сильно спасает). Предположим, у нас есть химический двигатель, обладающий скоростью истечения 3 километра в секунду и расходом 1 килограмм в секунду. Тяга при таких параметрах получится 3 тысячи ньютонов (примерно 300 килограмм-силы), а мощность - 4.5 мегаватта. Энергия берется из сгорания компонентов топлива.
Теперь представим, что мы перешли на электрическую тягу, и скорость истечения увеличилась в 10 раз, достигнув 30 км/сек. Но мы хотим сохранить тягу на том же уровне. Для этого надо уменьшить расход также в 10 раз - не 1 килограмм, а 100 грамм в секунду. Отлично, значит нам надо в десять раз меньше горючего. Сколько же мощности требуется при этих параметрах? Целых сорок пять мегаватт! И мегаватты эти должны не просто воспламениться в камере сгорания, они должны быть честно преобразованы в электроэнергию, чтобы быть поданными на клеммы электрореактивного двигателя. А что будет, если мы увеличим скорость истечения еще в 10 раз - до 300 км/с? Чтобы сохранить тягу на том же уровне, нам потребуется всего 10 грамм испускаемого рабочего тела в секунду, и аж 450 мегаватт мощности. В общем, для быстрых и экономичных полетов нужна энергия, много энергии!
А как с электричеством у существующих космических аппаратов? Не очень хорошо, на самом деле. Мейнстрим - солнечные батареи. Рассмотрим конкретный пример: у запущенного недавно на геостационарную орбиту спутника Интелсат-22 мощность энергетической установки - всего 11.8 киловатт. Много это или мало? У меня на кухне стоит чайник на 2 киловатта. Получается, что 6 таких чайников потребляют, как бандура массой более 6 тонн, вещающая сигнал на многих частотах для миллионов людей с расстояния 36 тысяч километров. Короче, мощность не впечатляет. Даже удивительно, как разработчики смогли обойтись таким малым количеством электроэнергии.
Другой пример - солнечные батареи МКС. Станция получает основное питание от солнечных панелей, прикрепляенных на американских фермах. Таких панелей сейчас 4 штуки, каждая весит 15.8 тонн, а дает всего 32.8 киловатт. Ситуация осложняется тем, что половину времени станция находится в тени Земли, и энергию приходится запасать в аккумуляторах. Короче, вскипятить чайник на орбите - очень дорогое удовольствие.
Так происходит потому, что энергия солнечного света - всего около 1.2 киловатта на квадратный метр освещенной поверхности. Это в районе Земли, а если лететь к Марсу или более дальним планетам - будет еще меньше. К тому же солнечные батареи могут преобразовать в электричество далеко не весь поглощаемый свет - КПД лучших современных экземпляров едва достигает 10%. Казалось бы, тут есть куда расти. Лабораторные образцы фотоэлектрических преобразователей показывают заметно лучший результат. Однако в космосе полупроводники быстро разрушаются радиацией. Приходится использовать тяжелые и не очень эффективные, зато стойкие конструкции. Чтобы достичь существенного прогресса, необходимо придумать не только эффективный, но и устойчивый к радиации фотоэлемент, постаравшись удержать его цену в приемлемых рамках. Множество лабораторий и так работают в этом направлении, и если бы можно было улучшить существующие конструкции - это было бы сделано.
Где можно взять энергию, кроме Солнца и химического топлива? Остаются ядерные реакции. Как же извлечь электричество из атомного распада? Есть несколько способов. Самое простое решение - РИТЭГ. В нем некоторое количество радиоактивного изотопа нагревается теплом радиоактивных распадов. Кроме нагревателя, на аппарате также имеется радиатор, отдающий тепло в открытый космос. Создается разница температур, которая преобразуется в ток с помощью термоэлектрического генератора: биметаллической пластинки или более сложной конструкции на основе тех же полупроводников. Аналог такой системы - туристическая кружка-зарядка для мобильника, которая работает, если ее поставить на костер и налить внутрь холодную воду. К сожалению, космические РИТЭГи дают очень маленькую мощность. Термоэлектрические генераторы не только имеют малый КПД, они также не способны переработать большой поток теплоты. Такие установки работают в основном на зондах, направляемых на окраины солнечной системы. Там мало света, выработка солнечных батарей сходит на нет, и альтернативы РИТЭГам не остается. РИТЭГи стоят, к примеру, на тех самых Вояджерах, которые были запущены в 1977 году к дальним планетам и далее, без остановки, к звездам. В качестве подарка внеземным цивилизациям Вояджеры несут изображение человеческих фигур, схему Солнечной системы и направления от Солнца к заметным пульсарам. На данный момент эти зонды уже добрались до границ солнечной системы, и аппаратура на них все еще работает. РИТЭГи все еще выдают электроэнергию, хотя напряжение и упало вдвое от изначального.
В РИТЭГах для выработки энергии используется тепло реакции, однако можно получить ток, перерабатывая непосредственно ионизирующее излучение. К сожалению, получаемая мощность все равно низка. Ядерным реакциям не набрать силу в таких установках - слишком малое охлаждение активной зоны не дает увеличить мощность.
Другая крайность мирного атома в космосе - ядерные реактивные двигатели. В них, в отличие от РИТЭГов, идет настоящая цепная реакция с размножением нейтронов. Она раскаляет топливные стержни, которые разогревают газ, и он выбрасывается из сопла, создавая реактивную силу. Проблема таких двигателей в том, что необходимо поддержать очень высокую температуру ядерного топлива, иначе не будет выигрыша по скорости истечения по сравнению с химическими двигателями. Впрочем, для скорости истечения важна не только температура выбрасываемого газа, но и масса его молекул. В газе, нагретом до определенной температуры, все молекулы получают одинаковую кинетическую энергию, соответствующую температуре. Чем меньше масса молекулы, тем больше ее скорость в газе, и с тем большей скоростью она вылетит из сопла. Ядерным реактором можно нагревать любое вещество. Лучше всего взять водород. Его формула Н2, молекулярная масса- две атомных единицы. Нагревать и выбрасывать водород получается эффективнее даже с той же температурой, что и в соплах обычных ракет, ведь при сжигании химического топлива образуются гораздо более тяжелые вещества: Н2О (18 единиц), N2 (28 единиц) и даже CO2 (44 единицы). Масса молекулы Н2 меньше (примерно в 10 раз), следовательно ее скорость - больше (примерно в 3 раза). Только благодаря этому эффекту ядерный двигатель и выигрывает у химического по скорости истечения рабочего тела.
Выигрыш получается не очень большой, потому что сложно нагреть таблетки с ураном до большей температуры, чем выдержит стенка камеры сгорания обычного химического движка. Прототипы ядерного реактивного двигателя испытывались, и оказалось, что, несмотря на все принимаемые меры, не удается избежать выброса крошек ядерного топлива. Корабль с ядерным двигателем мог бы стартовать с Земли и выводить на орбиту больше полезной нагрузки, чем химические ракеты. Однако из-за выброса осколков топлива каждый старт создавал бы радиоактивное загрязнение. Эту проблему так и не удалось решить, и работы над ядерными реактивными двигателями свернули.
Чтобы обойти предел жаростойкости ядерного топлива, предлагалась совсем фантастическая конструкция - газофазный ядерный ракетный двигатель. В нем уран находится не в твердом виде, а в виде плазмы. Струи водорода обдувают клубок с урановой плазмой, но, по задумке создателей, не уносят его содержимое вовне. Как реализовать это на практике - не очень понятно. Поэтому газофазные ядерные двигатели дальше концептуальных чертежей не пошли.
Установка, о которой говорил Перминов, лишена недостатков маломощных РИТЭГов и брутальных ЯРД. Это средний вариант - обычная атомная электростанция, с реактором, который нагревает теплоноситель, который вращает турбину, вращающую генератор. Только вынесенная в открытый космос. Эта конструкция не дает радиоактивного загрязнения окружающей среды, так как не выбрасывает уран и продукты распада. Она позволяет достичь огромной мощности, ведь обычные электростанции дают больше гигаватта на реактор. Ну а с энергией электрореактивный двигатель способен обеспечить высокий удельный импульс, позволяющий маневрировать с малым расходом рабочего тела.
Конструируем ядерный космолет
Мы говорим «атомный реактор», подразумеваем радиацию. На земле для защиты от нее используются метровые слои воды или бетона. В космосе есть не менее эффективные средства: теневая защита и расстояние. Теневая защита - это когда реактор закрывают только с одной стороны, с той, где расположено оборудование и полезный груз. Излучение может свободно распространяться во все остальные стороны, там нет ничего, кроме космической пустоты. Так можно существенно сэкономить на весе защиты. А если отодвинуть реактор подальше на длинной ферме, можно сэкономить и на толщине защитного слоя. Прорвавшаяся через него остаточная радиация рассеется, прежде чем достигнет уязвимого оборудования.
Вот мы прикрутили реактор к космическому кораблю, что дальше? Реактор просто выдает тепло, а нам надо получить электричество. В обычных атомных электростанциях тепло реакций превращает воду в пар, который вращает турбину, соединенную с генератором. Для большей безопасности обычно делают два контура: теплоноситель первого контура (это может быть вода или легкоплавкие металлы) пропускается через активную зону реактора, а затем кипятит воду во втором контуре, вырабатываемый при этом пар вращает турбину.
В космосе все должно работать примерно так же, но с особенностями. Для упрощения и облегчения конструкции будет только один контур, в нем в качестве теплоносителя будет использоваться не вода, а гелий с небольшим добавлением ксенона. Почему именно гелий? Главным образом потому, что надо сэкономить вес, взяв в качестве теплоносителя наиболее легкое вещество. К тому же кипящую воду использовать нельзя, так как космическая электростанция работает при температурах гораздо больше 100 градусов, и пар не будет превращаться в воду. Из газов минимальная масса у водорода, но он химически активен. Следом идет гелий - благородный газ, который даже при высокой температуре не будет реагировать с конструкционными материалами. В него планируется добавить небольшое количество ксенона - тяжелого благородного газа. Такая добавка нужна, чтобы уменьшить скорость звука - это облегчит работу турбины.
Нагретый газ вращает турбину и охлаждается. При этом его давление падет, а объем увеличивается. После турбины газ надо сжать и направить обратно в реактор. Для сжатия газа надо совершить работу. Чтобы компрессор потреблял меньше, чем вырабатывает турбина, газ дополнительно охлаждается после выхода из турбины. Охлажденный газ занимает меньший объем, поэтому компрессор при сжатии газа совершит меньшую работу, чем вырабатывает турбина при расширении нагретого газа. После компрессора сжатый газ подается обратно в реактор, где нагревается и опять идет на турбину. Данный процесс называется цикл Брайтона.
Охлаждение газа в процессе работы - совершенно необходимо. Второй закон термодинамики гласит, что теплота не может быть преобразована в полезную работу полностью без остатка. Всегда какая-то доля теплоты приносится в жертву. Это справедливо не только для маленькой бортовой атомной электростанции, но и для любого оборудования. Любая электроника греется, все космические аппараты сталкиваются с проблемой рассеивания тепла. Конечно, из-за малой мощности отвод тепла на существующих аппаратах не очень велик.
Наиболее показательный пример - МКС. Космические холодильники станции можно увидеть на фото. Это панели, перпендикулярные солнечным батареям. Солнечные батареи ориентированы по направлению на Солнце, чтобы поглощать больше света. Радиаторы же наоборот выставлены ребром к солнечным лучам, чтобы избежать нагрева.
Как же сбрасывать тепло в открытом космосе? На Земле для охлаждения электростанций используются либо пруды, не замерзающие даже зимой, либо вода из рек, либо гигантские градирни, а в холодное время года остаточное тепло подается в системы центрального отопления городов. В космосе эти способы, к сожалению, не доступны. Единственная возможность - охлаждение излучением. Нагретая поверхность в пустоте охлаждается, излучая электромагнитные волны в широком диапазоне, в том числе видимый свет.
Сможет ли нагретая пластинка рассеять достаточно энергии в пустоте, где нет ни обдува воздухом, ни обливания холодной водой? Давайте посчитаем. У нас реактор мегаваттного класса, предположим, что он выдает ровно 1 мегаватт электричества. Для получения мегаватта электроэнергии надо выработать и рассеять в несколько раз больше тепла, сколько именно, зависит от КПД установки. Вероятно, в нашем случае КПД выйдет в районе 20%. В таком случае реактор должен выдавать 5 мегаватт тепла, из которых 1 будет преобразован в электроэнергию и пойдет в работу на двигателях, а остальные 4 мегаватта должны быть рассеяны в холодильнике. Количество излученной энергии P определяется законом Стефана-Больцмана:
P=SεσT4
Рассеянная мощность (обозначенная буквой P) пропорциональна площади пластинки S; тому, насколько она черная (это выражено коэффициентом черноты ε); специальному коэффиценту σ (он равен 5.67*10-8 Дж*с-1*м-2*К-4, его значение можно вывести из формул квантовой механики); а также температуре пластинки Т, возведенной в четвертую степень. Мы видим, что температуру выгодно сделать побольше, она входит в формулу аж в четвертой степени, поэтому небольшое увеличение температуры позволит сильно уменьшить площадь радиатора. С другой стороны, чем ниже температура холодильника, тем больше КПД турбины. Нужен компромисс. В разрабатываемом аппарате температура холодильника будет около 400 градусов цельсия или 700 кельвинов (в формулу Стефана-Больцмана надо подставлять значение в кельвинах). При этих данных мы можем решить уравнение и найти S.
S = P/(σT4)
Надо еще учесть, что формула Стефана-Больцмана описывает излучение поверхности в одну сторону, а нагретая пластинка в космосе будет излучать в две стороны, так что площадь можно уменьшить вдвое.
S = P/(σT4)/2
Кто заметил, что из формулы пропал ε? Объясняю. ε - коэффицент черноты. Мы считаем, что наши пластинки достаточно черные, так, что этот коэффицент практически не отличается от единицы. Поэтому, при грубых рассчетах, его можно опустить.
Я подставил цифры, и у меня получилось чуть меньше 150 квадратных метров. Понятно, что такой радиатор придется располагать вдоль фермы, которая относит реактор подальше от полезной нагрузки. Радиатор будет сделан в виде треугольника вершиной у реактора - так он попадет в область теневой защиты, и будет защищен от радиоактивного излучения реактора. Зачем защищать радиатор от радиации? Дело в том, что из реактора в большом количестве вылетают нейтроны. Эти частицы с легкостью вступят в реакции с материалами радиатора, и сделают его радиоактивным. Вторичная радиоактивность будет облучать оборудование в обход теневой защиты. Чтобы этого не происходило, радиатор должен находиться в защищенной «тени», что диктует треугольную форму. При такой форме и 60-метровой ферме реактора размер основания треугольника радиатора получится около 5 метров.
В общем, размеры радиатора вполне реалистичные. Технически это будет, вероятно, что-то вроде алюминиевой пленки, покрашенной черной краской. В пленку будут впаяны трубки с гелием через определенные промежутки. Удобно было бы доставлять радиатор на орбиту в свернутом виде, так, чтобы при наполнении гелием он разворачивался, как разворачивается скрученная трубка, если в нее дуть. Надо также предусмотреть аварийные клапаны, чтобы они могли перекрыть отдельные сегменты радиатора при метеоритных или других повреждениях. Нагретый до 400 градусов радиатор будет светиться красноватым светом.
Кстати, радиатор в виде пластинки - не единственный способ рассеять энергию в космосе. Проводились эксперименты с капельным холодильником-излучателем. В этой конструкции раскаленное масло выстреливается форсункой, пролетает какое-то расстояние, излучая тепло, и улавливается. Такой способ рассеивать тепло позволяет сэкономить массу и избежать угрозы метеоритов. Однако этот принцип еще не вполне отработан, и на первых экземплярах атомных космолетов наверняка поставят старую добрую пленку.
Начало
Окончание
Окончание
Где же выход?
Как видите ситуация такова: космические аппараты выводятся на орбиты с помощью тяжелых ракет. После выведения они не имеют возможности делать сколько-нибудь резкие маневры, если только для этого не предусмотрен запас топлива, масса которого сравнима или превышает массу полезной нагрузки. Можно ли с этим что-то сделать? Давайте посмотрим еще раз на формулу Циолковского:
Чтобы V получилось побольше, можно попробовать увеличить I - скорость истечения газов из сопла. В обычном ракетном двигателе эта скорость ограничена скоростью теплового движения молекул продуктов горения. Тепловое движение тем сильнее, чем выше температура и чем меньше масса молекулы. Для реакции химического горения потолок уже почти достигнут - можно увеличить скорость истечения на проценты, но не в разы.
Есть другое решение проблемы, уже проверенное на практике - электрические ракетные двигатели. Этим термином называют различные конструкции, назначение которых - создавать тягу, отбрасывая рабочее тело при помощи электромагнитных сил. Существуют разные способы ускорить вещество при помощи электричества. Сейчас чаще всего его ионизируют и разгоняют электрическим полем.
Теоретически электрические двигатели позволяют получить любую скорость истечения, вплоть до скорости света. На практике достигаются значения 200 км/с - почти в сто раз больше, чем на химии. Есть один недостаток: такие двигатели развивают очень маленькую тягу. В земных условьях ее даже измерить не так-то просто, однако в космосе, работая много часов без перерыва, электро-реактивный двигатель может сообщить аппарату заметное ускорение. Самое главное - расход рабочего тела минимален. Космолет ускоряется не спеша, однако способен на значительные маневры даже с маленьким баком.
Наглядная демонстрация данного принципа - зонд SMART-1, который Европейское Космическое Агентство запустило к Луне в 2003-м году. Этот аппарат был выведен ракетой-носителем на геопереходную орбиту. Напомню, это вытянутая эллиптическая орбита, верхняя точка которой находится на высоте около 35 тысяч километров, а нижняя - несколько сот километров от поверхности Земли. Зонд включил электрореактивные двигатели и добрался до Луны за 14 месяцев. При движении он совершил много-много оборотов вокруг Земли, каждый виток удаляясь чуть дальше. Достигнув области, где притяжение Луны пересиливает земное, зонд совершил замысловатый маневр и вышел на лунную орбиту. После этого ему оставалось только затормозить, чтобы уменьшить высоту над поверхностью естественного спутника Земли.
На все про все ушло 74 килограмма ксенона, которые позволили изменить скорость зонда суммарно на три с половиной километра в секунду. Правда, сам зонд - не такой уж большой, вместе с топливом 367 кг. На полет до Луны ушло всего 16% массы аппарата. Химическому двигателю для такого же маневра потребуется истратить гораздо больше топлива - 65% от массы. Если мы хотим еще и вернуться - химическое топливо должно составлять примерно 88% от массы. Используя электро-реактивные движки, можно слетать к Луне и назад, используя массу рабочего тела, составляющую всего 30% от массы ракеты.
Космический корабль Союз весит чуть больше 7 тонн. Чтобы свозить его к Луне и назад (с выходом на низкую орбиту Луны), потребуется 53 тонны химического горючего, либо всего 3 тонны рабочего тела для электро-реактивного движка. Правда, пилотируемый полет по этой схеме невозможен. Смарту потребовалось 4 месяца, чтобы преодолеть радиационные пояса. Железку не жалко, а человек не выдержит такую дозу облучения. Конечно, можно запускать пилотируемые корабли по быстрой траектории на химических двигателях, а грузы возить на электрических. Можно даже организовать экспедицию к Марсу, так, чтобы тяжелый марсианский космолет преодолевал радиационные пояса без экипажа, а космонавты догоняли его на маленьком корабле вроде Союза. Вероятно, космонавтика будущего и будет построена на таком принципе, но пока тяжелые конструкции не улетают за низкую околоземную орбиту.
А можно ли увеличить тягу электрических движков? Скажем, поставить не 1 двигатель, а 10, 100? К сожалению, нет, и вот почему. Сила тяги определяется формулой F=m*I - она пропорциональна расходу рабочего тела m и скорости истечения I. А мощность, необходимая для выброса рабочего тела, задается формулой P=m*I^2/2 - тот же расход, только умноженный на квадрат скорости истечения (и поделенный на два, но это не сильно спасает). Предположим, у нас есть химический двигатель, обладающий скоростью истечения 3 километра в секунду и расходом 1 килограмм в секунду. Тяга при таких параметрах получится 3 тысячи ньютонов (примерно 300 килограмм-силы), а мощность - 4.5 мегаватта. Энергия берется из сгорания компонентов топлива.
Теперь представим, что мы перешли на электрическую тягу, и скорость истечения увеличилась в 10 раз, достигнув 30 км/сек. Но мы хотим сохранить тягу на том же уровне. Для этого надо уменьшить расход также в 10 раз - не 1 килограмм, а 100 грамм в секунду. Отлично, значит нам надо в десять раз меньше горючего. Сколько же мощности требуется при этих параметрах? Целых сорок пять мегаватт! И мегаватты эти должны не просто воспламениться в камере сгорания, они должны быть честно преобразованы в электроэнергию, чтобы быть поданными на клеммы электрореактивного двигателя. А что будет, если мы увеличим скорость истечения еще в 10 раз - до 300 км/с? Чтобы сохранить тягу на том же уровне, нам потребуется всего 10 грамм испускаемого рабочего тела в секунду, и аж 450 мегаватт мощности. В общем, для быстрых и экономичных полетов нужна энергия, много энергии!
А как с электричеством у существующих космических аппаратов? Не очень хорошо, на самом деле. Мейнстрим - солнечные батареи. Рассмотрим конкретный пример: у запущенного недавно на геостационарную орбиту спутника Интелсат-22 мощность энергетической установки - всего 11.8 киловатт. Много это или мало? У меня на кухне стоит чайник на 2 киловатта. Получается, что 6 таких чайников потребляют, как бандура массой более 6 тонн, вещающая сигнал на многих частотах для миллионов людей с расстояния 36 тысяч километров. Короче, мощность не впечатляет. Даже удивительно, как разработчики смогли обойтись таким малым количеством электроэнергии.
Другой пример - солнечные батареи МКС. Станция получает основное питание от солнечных панелей, прикрепляенных на американских фермах. Таких панелей сейчас 4 штуки, каждая весит 15.8 тонн, а дает всего 32.8 киловатт. Ситуация осложняется тем, что половину времени станция находится в тени Земли, и энергию приходится запасать в аккумуляторах. Короче, вскипятить чайник на орбите - очень дорогое удовольствие.
Так происходит потому, что энергия солнечного света - всего около 1.2 киловатта на квадратный метр освещенной поверхности. Это в районе Земли, а если лететь к Марсу или более дальним планетам - будет еще меньше. К тому же солнечные батареи могут преобразовать в электричество далеко не весь поглощаемый свет - КПД лучших современных экземпляров едва достигает 10%. Казалось бы, тут есть куда расти. Лабораторные образцы фотоэлектрических преобразователей показывают заметно лучший результат. Однако в космосе полупроводники быстро разрушаются радиацией. Приходится использовать тяжелые и не очень эффективные, зато стойкие конструкции. Чтобы достичь существенного прогресса, необходимо придумать не только эффективный, но и устойчивый к радиации фотоэлемент, постаравшись удержать его цену в приемлемых рамках. Множество лабораторий и так работают в этом направлении, и если бы можно было улучшить существующие конструкции - это было бы сделано.
Где можно взять энергию, кроме Солнца и химического топлива? Остаются ядерные реакции. Как же извлечь электричество из атомного распада? Есть несколько способов. Самое простое решение - РИТЭГ. В нем некоторое количество радиоактивного изотопа нагревается теплом радиоактивных распадов. Кроме нагревателя, на аппарате также имеется радиатор, отдающий тепло в открытый космос. Создается разница температур, которая преобразуется в ток с помощью термоэлектрического генератора: биметаллической пластинки или более сложной конструкции на основе тех же полупроводников. Аналог такой системы - туристическая кружка-зарядка для мобильника, которая работает, если ее поставить на костер и налить внутрь холодную воду. К сожалению, космические РИТЭГи дают очень маленькую мощность. Термоэлектрические генераторы не только имеют малый КПД, они также не способны переработать большой поток теплоты. Такие установки работают в основном на зондах, направляемых на окраины солнечной системы. Там мало света, выработка солнечных батарей сходит на нет, и альтернативы РИТЭГам не остается. РИТЭГи стоят, к примеру, на тех самых Вояджерах, которые были запущены в 1977 году к дальним планетам и далее, без остановки, к звездам. В качестве подарка внеземным цивилизациям Вояджеры несут изображение человеческих фигур, схему Солнечной системы и направления от Солнца к заметным пульсарам. На данный момент эти зонды уже добрались до границ солнечной системы, и аппаратура на них все еще работает. РИТЭГи все еще выдают электроэнергию, хотя напряжение и упало вдвое от изначального.
В РИТЭГах для выработки энергии используется тепло реакции, однако можно получить ток, перерабатывая непосредственно ионизирующее излучение. К сожалению, получаемая мощность все равно низка. Ядерным реакциям не набрать силу в таких установках - слишком малое охлаждение активной зоны не дает увеличить мощность.
Другая крайность мирного атома в космосе - ядерные реактивные двигатели. В них, в отличие от РИТЭГов, идет настоящая цепная реакция с размножением нейтронов. Она раскаляет топливные стержни, которые разогревают газ, и он выбрасывается из сопла, создавая реактивную силу. Проблема таких двигателей в том, что необходимо поддержать очень высокую температуру ядерного топлива, иначе не будет выигрыша по скорости истечения по сравнению с химическими двигателями. Впрочем, для скорости истечения важна не только температура выбрасываемого газа, но и масса его молекул. В газе, нагретом до определенной температуры, все молекулы получают одинаковую кинетическую энергию, соответствующую температуре. Чем меньше масса молекулы, тем больше ее скорость в газе, и с тем большей скоростью она вылетит из сопла. Ядерным реактором можно нагревать любое вещество. Лучше всего взять водород. Его формула Н2, молекулярная масса- две атомных единицы. Нагревать и выбрасывать водород получается эффективнее даже с той же температурой, что и в соплах обычных ракет, ведь при сжигании химического топлива образуются гораздо более тяжелые вещества: Н2О (18 единиц), N2 (28 единиц) и даже CO2 (44 единицы). Масса молекулы Н2 меньше (примерно в 10 раз), следовательно ее скорость - больше (примерно в 3 раза). Только благодаря этому эффекту ядерный двигатель и выигрывает у химического по скорости истечения рабочего тела.
Выигрыш получается не очень большой, потому что сложно нагреть таблетки с ураном до большей температуры, чем выдержит стенка камеры сгорания обычного химического движка. Прототипы ядерного реактивного двигателя испытывались, и оказалось, что, несмотря на все принимаемые меры, не удается избежать выброса крошек ядерного топлива. Корабль с ядерным двигателем мог бы стартовать с Земли и выводить на орбиту больше полезной нагрузки, чем химические ракеты. Однако из-за выброса осколков топлива каждый старт создавал бы радиоактивное загрязнение. Эту проблему так и не удалось решить, и работы над ядерными реактивными двигателями свернули.
Чтобы обойти предел жаростойкости ядерного топлива, предлагалась совсем фантастическая конструкция - газофазный ядерный ракетный двигатель. В нем уран находится не в твердом виде, а в виде плазмы. Струи водорода обдувают клубок с урановой плазмой, но, по задумке создателей, не уносят его содержимое вовне. Как реализовать это на практике - не очень понятно. Поэтому газофазные ядерные двигатели дальше концептуальных чертежей не пошли.
Установка, о которой говорил Перминов, лишена недостатков маломощных РИТЭГов и брутальных ЯРД. Это средний вариант - обычная атомная электростанция, с реактором, который нагревает теплоноситель, который вращает турбину, вращающую генератор. Только вынесенная в открытый космос. Эта конструкция не дает радиоактивного загрязнения окружающей среды, так как не выбрасывает уран и продукты распада. Она позволяет достичь огромной мощности, ведь обычные электростанции дают больше гигаватта на реактор. Ну а с энергией электрореактивный двигатель способен обеспечить высокий удельный импульс, позволяющий маневрировать с малым расходом рабочего тела.
Конструируем ядерный космолет
Мы говорим «атомный реактор», подразумеваем радиацию. На земле для защиты от нее используются метровые слои воды или бетона. В космосе есть не менее эффективные средства: теневая защита и расстояние. Теневая защита - это когда реактор закрывают только с одной стороны, с той, где расположено оборудование и полезный груз. Излучение может свободно распространяться во все остальные стороны, там нет ничего, кроме космической пустоты. Так можно существенно сэкономить на весе защиты. А если отодвинуть реактор подальше на длинной ферме, можно сэкономить и на толщине защитного слоя. Прорвавшаяся через него остаточная радиация рассеется, прежде чем достигнет уязвимого оборудования.
Вот мы прикрутили реактор к космическому кораблю, что дальше? Реактор просто выдает тепло, а нам надо получить электричество. В обычных атомных электростанциях тепло реакций превращает воду в пар, который вращает турбину, соединенную с генератором. Для большей безопасности обычно делают два контура: теплоноситель первого контура (это может быть вода или легкоплавкие металлы) пропускается через активную зону реактора, а затем кипятит воду во втором контуре, вырабатываемый при этом пар вращает турбину.
В космосе все должно работать примерно так же, но с особенностями. Для упрощения и облегчения конструкции будет только один контур, в нем в качестве теплоносителя будет использоваться не вода, а гелий с небольшим добавлением ксенона. Почему именно гелий? Главным образом потому, что надо сэкономить вес, взяв в качестве теплоносителя наиболее легкое вещество. К тому же кипящую воду использовать нельзя, так как космическая электростанция работает при температурах гораздо больше 100 градусов, и пар не будет превращаться в воду. Из газов минимальная масса у водорода, но он химически активен. Следом идет гелий - благородный газ, который даже при высокой температуре не будет реагировать с конструкционными материалами. В него планируется добавить небольшое количество ксенона - тяжелого благородного газа. Такая добавка нужна, чтобы уменьшить скорость звука - это облегчит работу турбины.
Нагретый газ вращает турбину и охлаждается. При этом его давление падет, а объем увеличивается. После турбины газ надо сжать и направить обратно в реактор. Для сжатия газа надо совершить работу. Чтобы компрессор потреблял меньше, чем вырабатывает турбина, газ дополнительно охлаждается после выхода из турбины. Охлажденный газ занимает меньший объем, поэтому компрессор при сжатии газа совершит меньшую работу, чем вырабатывает турбина при расширении нагретого газа. После компрессора сжатый газ подается обратно в реактор, где нагревается и опять идет на турбину. Данный процесс называется цикл Брайтона.
Охлаждение газа в процессе работы - совершенно необходимо. Второй закон термодинамики гласит, что теплота не может быть преобразована в полезную работу полностью без остатка. Всегда какая-то доля теплоты приносится в жертву. Это справедливо не только для маленькой бортовой атомной электростанции, но и для любого оборудования. Любая электроника греется, все космические аппараты сталкиваются с проблемой рассеивания тепла. Конечно, из-за малой мощности отвод тепла на существующих аппаратах не очень велик.
Наиболее показательный пример - МКС. Космические холодильники станции можно увидеть на фото. Это панели, перпендикулярные солнечным батареям. Солнечные батареи ориентированы по направлению на Солнце, чтобы поглощать больше света. Радиаторы же наоборот выставлены ребром к солнечным лучам, чтобы избежать нагрева.
Как же сбрасывать тепло в открытом космосе? На Земле для охлаждения электростанций используются либо пруды, не замерзающие даже зимой, либо вода из рек, либо гигантские градирни, а в холодное время года остаточное тепло подается в системы центрального отопления городов. В космосе эти способы, к сожалению, не доступны. Единственная возможность - охлаждение излучением. Нагретая поверхность в пустоте охлаждается, излучая электромагнитные волны в широком диапазоне, в том числе видимый свет.
Сможет ли нагретая пластинка рассеять достаточно энергии в пустоте, где нет ни обдува воздухом, ни обливания холодной водой? Давайте посчитаем. У нас реактор мегаваттного класса, предположим, что он выдает ровно 1 мегаватт электричества. Для получения мегаватта электроэнергии надо выработать и рассеять в несколько раз больше тепла, сколько именно, зависит от КПД установки. Вероятно, в нашем случае КПД выйдет в районе 20%. В таком случае реактор должен выдавать 5 мегаватт тепла, из которых 1 будет преобразован в электроэнергию и пойдет в работу на двигателях, а остальные 4 мегаватта должны быть рассеяны в холодильнике. Количество излученной энергии P определяется законом Стефана-Больцмана:
P=SεσT4
Рассеянная мощность (обозначенная буквой P) пропорциональна площади пластинки S; тому, насколько она черная (это выражено коэффициентом черноты ε); специальному коэффиценту σ (он равен 5.67*10-8 Дж*с-1*м-2*К-4, его значение можно вывести из формул квантовой механики); а также температуре пластинки Т, возведенной в четвертую степень. Мы видим, что температуру выгодно сделать побольше, она входит в формулу аж в четвертой степени, поэтому небольшое увеличение температуры позволит сильно уменьшить площадь радиатора. С другой стороны, чем ниже температура холодильника, тем больше КПД турбины. Нужен компромисс. В разрабатываемом аппарате температура холодильника будет около 400 градусов цельсия или 700 кельвинов (в формулу Стефана-Больцмана надо подставлять значение в кельвинах). При этих данных мы можем решить уравнение и найти S.
S = P/(σT4)
Надо еще учесть, что формула Стефана-Больцмана описывает излучение поверхности в одну сторону, а нагретая пластинка в космосе будет излучать в две стороны, так что площадь можно уменьшить вдвое.
S = P/(σT4)/2
Кто заметил, что из формулы пропал ε? Объясняю. ε - коэффицент черноты. Мы считаем, что наши пластинки достаточно черные, так, что этот коэффицент практически не отличается от единицы. Поэтому, при грубых рассчетах, его можно опустить.
Я подставил цифры, и у меня получилось чуть меньше 150 квадратных метров. Понятно, что такой радиатор придется располагать вдоль фермы, которая относит реактор подальше от полезной нагрузки. Радиатор будет сделан в виде треугольника вершиной у реактора - так он попадет в область теневой защиты, и будет защищен от радиоактивного излучения реактора. Зачем защищать радиатор от радиации? Дело в том, что из реактора в большом количестве вылетают нейтроны. Эти частицы с легкостью вступят в реакции с материалами радиатора, и сделают его радиоактивным. Вторичная радиоактивность будет облучать оборудование в обход теневой защиты. Чтобы этого не происходило, радиатор должен находиться в защищенной «тени», что диктует треугольную форму. При такой форме и 60-метровой ферме реактора размер основания треугольника радиатора получится около 5 метров.
В общем, размеры радиатора вполне реалистичные. Технически это будет, вероятно, что-то вроде алюминиевой пленки, покрашенной черной краской. В пленку будут впаяны трубки с гелием через определенные промежутки. Удобно было бы доставлять радиатор на орбиту в свернутом виде, так, чтобы при наполнении гелием он разворачивался, как разворачивается скрученная трубка, если в нее дуть. Надо также предусмотреть аварийные клапаны, чтобы они могли перекрыть отдельные сегменты радиатора при метеоритных или других повреждениях. Нагретый до 400 градусов радиатор будет светиться красноватым светом.
Кстати, радиатор в виде пластинки - не единственный способ рассеять энергию в космосе. Проводились эксперименты с капельным холодильником-излучателем. В этой конструкции раскаленное масло выстреливается форсункой, пролетает какое-то расстояние, излучая тепло, и улавливается. Такой способ рассеивать тепло позволяет сэкономить массу и избежать угрозы метеоритов. Однако этот принцип еще не вполне отработан, и на первых экземплярах атомных космолетов наверняка поставят старую добрую пленку.
Начало
Окончание