Советский Союз преуспел в эксплуатации атомных двигателей в космосе, намного опередив остальные государства мира. Как это было? Что впереди? 1:0. "SNAP" - американский прорыв

Вся левая часть КА - реактор 1-м ядерным реактором на космическом аппарате стал американский SNAP-10A, созданный в рамках программы SNAP (сокр. от англ. Systems for Nuclear Auxiliary Power). Он был установлен на борту КА Snapshot массой 440 кг, запущенного 3 апреля 1965 г. ракетой-носителем «Атлас». Реактор разработала компания Boeing по заказу ВВС и Комиссия по атомной энергии США. Реактор на тепловых нейтронах использовал уран-235 в качестве топлива, гидрид циркония как замедлитель и натрий-калиевый расплав в качестве теплоносителя. Тепловая мощность реактора составляла около 40 кВт. Электрическая мощность, обеспечиваемая термоэлектрическим преобразователем, составляла от 500 до 650 Вт. Предполагались лётные испытания реактора в течение 90 суток. Реактор успешно проработал 43 дня - до 16 мая 1965 г. В этот день впервые включили экспериментальный ионный двигатель. Его работа сопровождалась многочисленными высоковольтными пробоями, электромагнитный импульс от которых нарушил работу бортовой аппаратуры. По ложной команде были сброшены детали конструкции отражателя реактора, что привело к его необратимому глушению. +1 Наземная советская попытка: "Ромашка"

Советский термоэлектрический реактор-преобразователь «Ромашка» впервые запустили в Институте атомной энергии («Курчатовский институт») 14 августа 1964 г. Реактор на быстрых нейтронах имел тепловую мощность 40 кВт и использовал в качестве топлива карбид урана. Термоэлектрический преобразователь на кремний-германиевых полупроводниковых элементах разработал и изготовил Сухумский физико-технический институт. Он выдавал мощность до 800 Вт. С.П. Королёв собирался использовать «Ромашку» на космических аппаратах в сочетании с импульсными плазменными двигателями. Испытания «Ромашки» закончились в середине 1966 г., уже после смерти Королёва, но реактор так и не использовали в космосе. 1:31+1 БЭС-5 "Бук"

БЭС-5 «Бук» разрабатывали с 1960 г. в НПО «Красная звезда» и использовали на спутниках радиолокационной разведки УС-А («Управляемый Спутник Активный»). 1-й аппарат этой серии запустили 3 октября 1970 г. с Байконура как «Космос-367», но уже на 2-м витке расплавилась активная зона, и КА захоронили в океане. Всего летал 31 спутник. В 1973 г. из-за ракеты-носителя в Тихий океан упал ещё один спутник с реактором в подкритическом состоянии. Электрическая мощность установки составляла 3 кВт при тепловой в 100 кВт, максимальный ресурс работы - 124-135 суток.

Двухконтурная установка имела реактор на быстрых нейтронах БР-5А и термоэлектрический генератор, теплоноситель обоих контуров — эвтектичный натрий-калиевый сплав (температура плавления −11 °C), температура в первом контуре — 700 °C, во втором — 350 °C. Масса всей установки - около 900 кг. Активная зона реактора состояла из 37 твэлов с минимально возможным зазором между ними. Каждый твэл содержал 3 уран-молибденовых блочка длиной по 55 мм и 2 бериллиевых блочка длиной по 100 мм, образующих торцевые отражатели. Общая масса урана - 30 кг, обогащение по 235-му изотопу - до 90 %. Корпус реактора в виде шестигранной призмы с размером 140 мм окружён боковым бериллиевым отражателем толщиной 100 мм. В отражателе могут перемещаться параллельно друг другу 6 бериллиевых стержней для управления реактором. Боковой отражатель состоял из отдельных секций, стянутых стальной лентой. При сходе спутника с орбиты и попадании его в плотные слои атмосферы лента должна быстро перегореть, отражатель — развалиться на части, а активная зона — сгореть.

В сентябре 1977 г. с космодрома Байконур был запущен спутник «Космос-954», который упал на территорию Канады 24 января 1978 г., частично разрушившись в плотных слоях атмосферы. Спутник перестал отвечать на команды с земли, и вошёл в плотные слои атмосферы с исправно работающим «Буком».

На территории Канады нашли 100 фрагментов общим весом 65 кг, часть из которых имела радиоактивность 200 рентген/час. На поиски и ликвидацию последствий потратили около 14 миллионов долларов. После этой неудачи конструкцию БЭС изменили: все твэлы стали принудительно выбрасываться газовым исполнительным механизмом. В 1983 г. отработавшую установку спутника "Космос-1402" не удалось вывести на орбиту захоронения, сработал система разделения, и 7 февраля активная зона сгорела над островом Вознесения. 1:33+1 ТЭУ-5 "Тополь" или "Топаз"-1

Слишком малое время работы "Бука" инициировало разработку новой космической ЯЭУ - ТЭУ-5 «Тополь» («Топаз-1»). Впервые её вывели на орбиту 2 февраля 1987 г. как двигатель экспериментального КА «Плазма-А» («Космос-1818»). Установка проработала около 6 месяцев до исчерпания запасов цезия. Работу над «Топазом» вели с 1960-х г. в НПО «Красная звезда». Наземные испытания проводили в камере из алюминиевого сплава высотой с 3-этажный дом в бетонном колодце глубиной 14 метров. В 1970-1984 в ней произвели испытания 7-ми прототипов установки. Топливом в реакторе служил диоксид урана с 90 % обогащением, теплоносителем калий-натриевый расплав. Реактор имел тепловую мощность 150 кВт, хотя количество 235U в реакторе снизили до 11,5 кг по сравнению с 30 кг в БЭС-5 «Бук». "Изюминкой" стал термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую: катод из молибдена с вольфрамовым покрытием, нагретый до высокой температуры, испускает электроны, которые преодолевают заполненный ионами цезия под низким давлением промежуток и попадают на анод. Электрическая цепь замыкается через нагрузку. Выходная электрическая мощность преобразователя составляла от 5 до 6,6 кВт.

При расчётном ресурсе в один год, уже на 2-м КА «Плазма-А» («Космос-1867») «Топаз» проработал более 11 месяцев! 1:33+3 наземные "Енисей" или "Топаз-2"

Реактор-преобразователь «Енисей» предназначался для работы в составе спутника непосредственного телевизионного вещания «Экран-АМ», но проект был закрыт. Реактор в активной зоне использовал не традиционные тепловыделяющие элементы, а интегральные электрогенерирующие каналы - «таблетки» диоксида урана, обогащённого до 96 %, катод, анод, цезиевый канал и всю остальную «обвязку». Тепловая мощность «Енисея» была порядка 115—135 кВт, электрическая — порядка 4,5—5,5 кВт. Теплоносителем являлся натрий-калиевый расплав. В 1992 г. США приобрели в России за 13 млн долларов 2 ЯЭУ «Енисей» («Топаз-2»). Один из реакторов предполагалось после тщательных наземных испытаний использовать в 1995 г. в «Космическом эксперименте с ядерно-электрической ДУ» (Nuclear Electric Propulsion Spaceflight Test Program). Однако, в 1993 г. из-за сокращения бюджета решили ограничиться наземными испытаниями, а в 1996 г. проект закрыли. Прекращение работ: "достижение" Горбачёва В 1988 г. США провели через ООН запрет на использование ядерных энергодвигательных установок в космосе и работы свернули в 1989 г. США отказались от разработки реактора SP-100 для программы СОИ в обмен на прекращение использования реакторов на советских спутниках УС-А и других новых реакторов для использования на околоземных орбитах. 1:33+4 ЯЭДУ

Ядерная энергодвигательная установка мегаваттного класса (ЯЭДУ) проектировали для Транспортно-энергетического модуля (ТЭМ), который позволит России вернуть ведущие позиции в создании современных космических станций, достичь Луны и дальних планет с созданием на них автоматических баз. Работы начали в 2009 г., закончили в 2018 г. Лётные испытания планируется в 2020-е гг. Головной исполнитель ЯЭДУ - Исследовательский центр имени М. В. Келдыша, реакторной установки - «НИКИЭТ» п/р генерального конструктора Юрия Драгунова. Инновации - теплоноситель - гелий-ксеноновая смесь, высокотемпературный газоохлаждаемый реактор на быстрых нейтронах, уран высокого обогащения и температура в реакторе до 1500К, рабочие органы системы управления и защиты реакторной установки из труб из молибденового сплава ТСМ-7 (уникальный конструкционный материал корпуса способен обеспечить работу реактора на протяжении более чем 100 000 часов). 1+1:33+4 "Kilopower"

Прототип на 1 кВт В США в Исследовательском центре Гленна разработали демонстрационный прототип реакторной энергетической установки Kilopower для выработки электроэнергии с выходной мощностью до 10 кВт и с ресурсом 10 лет на поверхности Марса. В сентябре 2017 г. создан тестовый образец реактора мощностью 1 кВт и высотой 1,9 м. Прототип Kilopower использует уран-235. Для отвода тепла в нём используют натриевые тепловые трубки с конвертацией тепла в электроэнергию по принципу двигателя Стирлинга. Тестирование начали в ноябре 2017 г. и продолжили в 2018 г. В марте 2018 г. исследовательская группа успешно завершила испытания в пустыне Невада, во время которых Kilopower работал на полной мощности 20 часов. 2 мая 2018 г. на пресс-конференции учёные и инженеры проекта сообщили о завершении тестирования Kilopower. 12 августа 2019 г. сообщили, что реактор может быть готов к первым лётным испытаниям в 2022 г., и что во время серии наземных испытаний 2017-2018 гг. Kilopower преобразовал 30 % выделяемого тепла в электроэнергию. Российская перспектива: "Нуклон-АП"

«Нуклон» - разработки под космический буксир с ядерной энергетической установкой «Зевс» для научных исследований в интересах освоения Луны. Буксир сможет перемещать с НОО на орбиту Луны полезную нагрузку массой до 10 т. не более чем за 200 суток (это больше времени полёта к Луне на жидкостных ракетах, так как буксир использует ионные двигатели ИД-500 мощностью 32-35 кВт, которые многократно слабее, но многократно энергоэффективнее жидкостных). Заказчик — Роскосмос, головной исполнитель (на стадии аванпроекта) - КБ «Арсенал». 10 декабря 2020 г. между ними заключён контракт в 4,174 млрд руб. на разработку аванпроекта с транспортно-энергетическим модулем (ТЭМ) и модулем полезной нагрузки (МПН). Срок исполнения контракта: 28 июня 2024 г. Космический комплекс «Нуклон» будет включать в себя: орбитальный комплекс из 2-х модулей: Транспортно-энергетический (ТЭМ) и полезной нагрузки (МПН). Общая масса «Нуклона» 55 т. ЯЭУ в составе ТЭМ должна обеспечивать выработку энергии с электрической мощностью 500 кВт, из которых до 450 кВт будет потреблять МПН. Срок активного существования - не менее 2,5 лет после первичного запуска ЯЭУ для ТЭМ, и не менее 2 лет для МПН. Программа сборки: 1-й запуск РН "Ангара-А5В" с "Восточного" выведет ТЭМ массой 35 т. на радиационнно-безопасную орбиту высотой не менее 900 км и наклонением 51,7°; 2-й запуск РН "Ангара-А5" с "Восточного" доставит на ту же орбиту МПН массой 20 т. (с заправленным рабочим телом).

уже полно фото собираемого буксира 1-й космический буксир хотят запустить в 2030 г. последовательно к Луне, Венере и одному из спутников Юпитера.

В мае 2021 г. СМИ со ссылкой на Исследовательский центр им. Келдыша сообщили, что "Зевс" можно будет использовать в системе ПВО страны для отслеживания летательных аппаратов с орбиты и целеуказания средствам поражения. В зависимости от мощности радиолокационной аппаратуры (50 или 200 кВт) буксир сможет, соответственно, прикрыть зону радиусом 2200 км или 4300 км. Во 2-м случае в зону его действия войдет всё воздушное пространство России и часть пространства сопредельных государств.

Среди задач, выполняемых на орбите Луны: картографирование поверхности с определением уклонов и высоты неровностей; картографирование верхнего покрова глубиной до нескольких километров; идентификация районов с подповерхностными пустотами, оценка их размеров, объема и глубины залегания; разведка полезных ископаемых Луны, в том числе её криолитосферных ресурсов; определение электрофизических свойств грунта, идентификация районов с аномальной проводимостью, теплоёмкостью, плотностью в целях обеспечения связи на поверхности Луны, выбора оптимальных мест посадки и размещения стационарных станций. Американская перспектива: пока непонятно что

Американцы тоже собираются делать что-то подобное, но у них до конкретики далеко. Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) в сентябре 2020 г. выделило $14 млн компании Gryphon Technologies на создание демонстрационной ракеты Draco (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations). Программа будет развиваться по двум параллельным направлениям: направление a – разработка реактора NTP (nuclear thermal propulsion) и направление b – конструирование самой ракеты, на которой данный двигатель будет использоваться. Подведём итоги: очевидно. насколько сильно мы впереди планеты всей в использовании атомной энергии в космонавтики. Остаётся надеяться, что запущенный проект "Зевс" позволит это преимущество сохранить, укрепить и вывести нашу космонавтику на качественно новый уровень. Надеюсь, под Хохлому "Зевса" раскрашивать не будут :)

Автор: Глеб Алексушин