В случае JIMO энерговооруженность станции будет такой, что непосредственно на ЭРДУ можно будет перейти с начальной орбиты ИСЗ высотой порядка 1000 км (куда она будет выведена тяжелым вариантом РН Delta 4) на траекторию перелета к Юпитеру, выйти на орбиту спутника Юпитера и затем на орбиту вокруг каждого из трех названных спутников Юпитера – Каллисто, Ганимеда и Европы – в названном порядке.

Для иллюстрации достаточно привести такой пример. Хотя стартовая масса JIMO не названа, на сайте проекта опубликован рисунок, показывающий процесс торможения КА для выхода на орбиту спутника Каллисто. И если в момент захвата станции гравитационным полем Юпитера через 1041 сут после старта с Земли масса КА составляет 7516 кг, то к моменту выхода на орбиту вокруг Каллисто на 1210-й день полета – 7144 кг. Иначе говоря, расход топлива на этот весьма существенный этап маневрирования составит всего 5% от массы КА!

Во-вторых, за счет большой располагаемой мощности на КА планируется поставить научную аппаратуру с высоким энергопотреблением и провести исследования, недоступные для «классических» АМС. Одновременно удастся резко увеличить объем передаваемых со станции данных.

Научные задачи проекта JIMO таковы:

з Разведать возможность жизни на спутниках Юпитера: доказать существование подповерхностного океана, картировать органические и существенные для жизни вещества на их поверхности, определить толщину ледового слоя и выбрать места будущих посадок.

з Исследовать происхождение и эволюцию этих спутников, а для этого определить их внутреннюю структуру, детали и состав поверхности.

з Определить радиационную обстановку вблизи спутников Юпитера и масштаб выпадения на них твердого материала.

Состав научной аппаратуры JIMO пока не определен – соответствующий конкурс предполагается объявить в IV квартале 2003 г. одновременно с конкурсом разработчиков самой станции. С высокой долей вероятности в число приборов будут включены радиолокатор для определения толщины льда и лазерный высотомер для топографического картирования, а помимо этих двух основных инструментов – аппаратура для съемки в видимом и ИК-диапазоне, магнитометр, приборы для изучения пыли, атомов и частиц. Предполагается, что JIMO сможет заснять всю поверхность Каллисто и Ганимеда и более половины поверхности Европы с разрешением порядка 10 м. Ресурс аппарата будет ограничен радиационной обстановкой вблизи Европы.

Как видно на рисунке, в составе КА выделены основной модуль со служебными системами и научной аппаратурой и модуль реактора, вынесенный на раздвижной ферме и включающий в себя собственно реактор с системой управления, преобразователь тепловой энергии в электрическую и блок распределения питания. По бокам фермы установлены радиаторы для излучения излишков энергии. Реактор прикрыт радиационным экраном, чтобы образующееся при его работе излучение не воздействовало на приборы станции.

Финансирование работ осуществляет Управление космической науки NASA. Головной организацией по проекту является Лаборатория реактивного движения, а менеджером проекта назначен Джон Казани (John Casani). В кооперацию уже вошли Исследовательский центр имени Гленна, Центр космических полетов имени Маршалла и Космический центр имени Кеннеди NASA, Лос-Аламосская национальная лаборатория, Национальная лаборатория Оук-Ридж и Национальная техническая и экологическая лаборатория в штате Айдахо.

Двигатель и реактор

О том, какой именно реактор будет установлен на JIMO и какие двигатели он будет использовать, достоверной информации пока нет. Однако следует учесть, что еще 24 июня 2002 г. Исследовательский центр имени Гленна выиграл конкурс на создание «ионного двигателя следующего поколения», получив на разработку своего проекта NEXT (NASA Evolutionary Xenon Thruster) в течение 3.5 лет 21 млн $. Правда, решение о втором этапе работ – окончательном изготовлении матчасти и сборке системы в целом – должно быть принято после окончания первого года работ по проекту.

NEXT задуман как электрореактивный двигатель с энергопотреблением порядка 8 кВт и удельным импульсом 4050 сек, являющийся развитием двигателя NSTAR опытной АМС Deep Space 1. Его характерными особенностями является увеличенный диаметр (40 см вместо 30 см у NSTAR), новая «ионная оптика», разрабатываемая в Boeing Electron Dynamic Devices Inc., легкий модульный блок распределения мощности, усовершенствованная система подачи ксенона, простой и легкий узел качания двигателя, способность работать во многодвигательной системе. Ожидаемый ресурс NEXT соответствует пропуску через двигатель 300–550 кг рабочего тела.

Почти двойное увеличение площади пучка ионов позволяет поднять потребляемую мощность до 4.7 кВт вообще без увеличения электрического потенциала и плотности тока. Так как на опытных NSTAR уже было опробовано напряжение в 5 кВ (втрое выше рабочего) и получен удельный импульс 5600 сек, то и достижение проектных параметров NEXT не вызывает сомнений. На опытных («лабораторных») двигателях уже достигнут уровень мощности 7.3 кВт. При мощности 6.9 кВт, рабочем напряжении 1800 В и расходе рабочего тела 5.92 мг/с они показывают удельный импульс 4060 сек и тягу 0.238 Н (24.3 гс) при эффективности 69%.

Следующими этапами проекта будут изготовление трех технических экземпляров двигателя и двух прототипов летного изделия, причем производство прототипов будет передано Отделению космических двигательных систем General Dymanics.

Хотя на момент выбора проекта NEXT предполагалось его питание от солнечных батарей, очевидно, такой ЭРД может быть применен и на КА JIMO. Двадцать двигателей, которые мы видим на рисунке в заголовке, будут потреблять порядка 160 кВт (из 250 кВт, снимаемых с реактора) и обеспечат тягу уже порядка 1 кгс в течение 1000 суток и более.

Можно также предположить, что за проектирование и изготовление реактора КА JIMO возьмется команда, заявившая на 12-й конференции по перспективным космическим ДУ 3–5 апреля 2001 г. о проекте SAFE (Safe Affordable Fission Engine – Безопасный приемлемый двигатель на делении). Кстати, названная в докладе Мелиссы Ван Дайк (Melissa Van Dyke) из Центра космических полетов имени Маршалла и Дэвида Постона (David I. Poston) из Лос-Аламосской национальной лаборатории с соавторами стартовая масса КА с реактором типа SAFE – 8100 кг – неплохо сочетается с упомянутыми выше баллистическими данными на JIMO.

Уже в 2001 г. эта группа провела испытания опытной установки SAFE-30 с электромашинным преобразователем Стирлинга и даже с подключенным «на выходе» ЭРД, правда, из соображений безопасности вместо стержней уранового топлива устанавливались нагреватели. По состоянию на конец 2001 г. концепция SAFE предусматривала создание установки HOMER на 15 кВт тепловой и 3 кВт электрической мощности для использования на поверхности Марса и установки SAFE-400 с электрической мощностью 100 кВт для применения в дальнем космосе.

В SAFE-400 предполагается использовать реактор на быстрых нейтронах со 127 каналами, каждый из которых представляет из себя интегрированный модуль – тепловая труба плюс три топливных стержня из нитрида урана диаметром 1 см. Диаметр активной зоны составляет 25 см (вместе с отражателем – 51 см), рабочая высота – 56 см. Тепловые трубы длиной 145 см (рабочее тело – натрий) выходят из активной зоны на 75 см, где находятся теплообменники двух электромашинных преобразователей с газовой турбиной Брайтона. Масса активной зоны оценивается в 512 кг, а теплообменников – по 72 кг. При тепловой мощности реактора 400 кВт преобразователи дают по 50 кВт каждый. Ожидаемый ресурс такой установки составит примерно 10 лет.

Увеличение тепловой мощности реактора до 1 МВт с установкой пяти преобразователей принципиальной сложности не представляет.

Кстати, авторы заявили в 2001 г. и вторую и третью фазы проекта SAFE. Они предусматривают переход к реакторам мощностью до 100 и 1000 МВт и разработку «настоящих» ядерных реактивных двигателей большой тяги с удельным импульсом 850–950 и более 2000 сек соответственно. Эти ЯРД можно будет применить и для полетов людей в пределах Солнечной системы.

Ядерные реакторы на орбите: история

Первым ядерным реактором в космосе стал американский SNAP-10A на борту одноименного аппарата массой 440 кг, который был запущен 3 апреля 1965 г. с Ванденберга носителем Atlas SLV-3/Agena D на орбиту с наклонением 90.17°, высотой 1283x1312 км и периодом 111.57 мин. (Аппарат также иногда называют Snapshot, а запуск известен под обозначением OPS 4682.) Задачами эксперимента были летные испытания реактора в течение 90 суток и отработка безопасного выведения его на орбиту.

Реактор SNAP-10A (System of Nuclear Auxiliary Power – Система дополнительного ядерного питания; общее наименование программы космических реакторов и радиоизотопных генераторов) был разработан в компании Boeing по заказу ВВС и Комиссии по атомной энергии США. Он работал на тепловых нейтронах и использовал уран-235 в качестве топлива, гидрид циркония как замедлитель и натрий-калиевый жидкий теплоноситель. Тепловая мощность реактора составляла, по разным источникам, от 39.0 до 45.5 кВт. Термоэлектрический преобразователь обеспечивал выходную электрическую мощность от 500 до 650 Вт.

В качестве дополнительной ПН на борт был установлен электрореактивный двигатель компании Electro-Optical Systems (по заказу ВВС США) с тягой 0.9 гс с цезием в качестве рабочего тела, работающий от аккумуляторов при рабочем напряжении 4500 В и потребляемой мощности 585 Вт. Для ЭРД был запланирован циклический режим: один час работы и 15 часов заряда аккумуляторов частью мощности (100 Вт), снимаемой с преобразователя.

Реактор был включен 3 апреля и успешно проработал 43 дня – до 16 мая 1965 г. В этот день был впервые включен на один час ионный двигатель. Его работа сопровождалась многочисленными высоковольтными пробоями, электромагнитный импульс от которых нарушил работу датчиков горизонта. Более того, по ложной команде от регулятора напряжения были сброшены детали конструкции отражателя реактора, что обеспечило его необратимое глушение. В наземном эксперименте в вакуумной камере аналогичный реактор проработал один год.

Близкий по характеристикам, но не по конструкции термоэлектрический реактор-преобразователь «Ромашка» был создан под руководством М.Д.Миллионщикова и Н.Н.Пономарева-Степного и впервые запущен в Институте атомной энергии (ИАЭ, ныне Российский научный центр «Курчатовский институт») 14 августа 1964 г. Основой установки был реактор на быстрых нейтронах с тепловой мощностью 40 кВт, использующий в качестве топлива карбид урана при температуре в активной зоне 1770°C. Термоэлектрический преобразователь на кремний-германиевых полупроводниковых элементах, расположенный снаружи отражателя реактора, преобразовывал в электрическую энергию часть выделяемого тепла – до 800 Вт.

В январе 1964 г. с установкой ознакомились С.П.Королев и М.В.Келдыш. Сергей Павлович прекрасно понимал преимущества электрореактивной тяги и намеревался использовать «Ромашку» в сочетании с разработанными в том же ИАЭ импульсными плазменными двигателями на КА. В ноябре 1964 г. эти двигатели даже успели проверить в системе ориентации АМС «Зонд-2», а вот испытания «Ромашки» закончились в середине 1966 г., уже после смерти С.П.Королева, и реактор так и не был использован в космосе.

3 октября 1970 г. с Байконура был запущен спутник УС-А («Космос-367») с ядерной энергетической установкой БЭС-5 «Бук», разрабатывавшейся с 1960 г. в ОКБ-670 Минавиапрома (с 1967 Московское КБ «Красная Звезда», руководитель – М.М.Бондарюк) под руководством В.И.Сербина, Н.И.Михневича, Ю.Н.Глазунова и И.М.Вышнепольского. В состав установки входили реактор на быстрых нейтронах БР-5А с тепловой мощностью 100 кВт (топливо – уран, калий-натриевый теплоноситель) и полупроводниковый термоэлектрический генератор, разработанный в Сухумском физико-техническом институте. От установки с выходной электрической мощностью 3 кВт питался бортовой радиолокатор бокового обзора.

КА УС-П с ЯЭУ «Бук» в 1975 г. был принят на вооружение и эксплуатировался до 1988 г. Всего с 1970 по 1988 г. было запущено 32 КА с этой установкой, из которых один (пуск 25.04.1973) из-за отказа бортовой ДУ не вышел на орбиту.

Так как КА УС-А функционировали на орбитах высотой всего лишь 260x280 км, по окончании работы выполнялся увод радиационно-опасной части аппарата на орбиту захоронения высотой 900x950 км. В двух случаях перевод на орбиту захоронения не был выполнен. «Космос-954» упал 24 января 1978 г. в районе Большого Невольничьего озера в Канаде, вызвав радиационное загрязнение местности. На доработанном «Космосе-1402» таких серьезных последствий не наступило: отделенная от спутника активная зона реактора 7 февраля 1983 г. разрушилась без вреда над южной частью Атлантики. Третий инцидент произошел с «Космосом-1900», на котором увод реактора был выполнен 30 сентября 1988 г. по резервной схеме за пять суток до входа КА в атмосферу Земли. Этот случай также получил широкую огласку, и, несмотря на то что аппарат успешно справился с нештатной ситуацией, запуски КА УС-А были прекращены. Последним аппаратом этого типа был «Космос-1932», стартовавший еще до возникновения аварии на «Космосе-1900».

Следующей советской космической ЯЭУ стала ТЭУ-5 «Тополь» («Топаз-1»), впервые выведенная на орбиту 2 февраля 1987 г. в составе экспериментального КА «Плазма-А» («Космос-1818», НК №6, 1999). Работа над ним началась еще в 1960 г. в ОКБ-670, а завершилась в НПО «Красная Звезда» Минсредмаша, образованного 28 февраля 1972 г. путем объединения части МКБ «Красная Звезда» и ТМКБ «Союз» Минавиапрома с ОКБ «Заря» Минсредмаша. Наземные испытания ЯЭУ «Топаз-1» были начаты в 1970 г.

Отличительной чертой ТЭУ-5 стало соединение реактора с термоэмиссионным (термоионным) преобразователем тепловой энергии в электрическую. Такой преобразователь подобен электронной лампе: 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.

Реактор (топливо – диоксид урана с 90% обогащением, теплоноситель – калий-натриевая смесь) имел тепловую мощность 150 кВт, причем количество ²³⁵U в реакторе было снижено до 11.5 кг по сравнению с 30 кг в БЭС-5 «Бук». Выходная электрическая мощность преобразователя составляла от 5 до 6.6 кВт. На втором КА «Плазма-А» («Космос-1867») реактор-преобразователь «Тополь» проработал более 11 месяцев при расчетном ресурсе один год.

На спутниках «Плазма-А» была также испытана электрореактивная ДУ ОКБ «Факел» (рабочее тело – ксенон). При энергопотреблении 2 кВт она продемонстрировала тягу 3.5 гс и удельный импульс на уровне 1600 сек.

Американцы считают, что советские специалисты впервые ознакомились с идеей термоэмиссионного преобразователя во время визита в Лос-Аламос в 1958 г. Если это действительно так, то идея пошла впрок: в 1992 г. США приобрели в России за 13 млн $ две ЯЭУ «Енисей» («Топаз-2») именно с термоэмиссионным преобразованием.

Реактор-преобразователь «Енисей» предназначался для работы в составе КА и разрабатывался по заказу НПО ПМ сначала для спутника непосредственного телевизионного вещания «Экран-АМ», а после отмены этого проекта – для геостационарного КА «Эстафета». В команду разработчиков входили ИАЭ имени И.В.Курчатова, Центральное КБ машиностроения (Ленинград) и НПО «Луч» (Подольск) Минатома и др.; сборка установки производилась в Таллинне. Изделие представляло собой реактор, в активной зоне которого находились не традиционные тепловыделяющие элементы, а интегральные электрогенерирующие каналы. Иначе говоря, в состав канала входили не только «таблетки» диоксида урана, обогащенного до 96%, но и катод, анод, цезиевый канал и все остальное «хозяйство». В активной зоне было 37 таких каналов с 27 кг урана; при тепловой мощности порядка 115–135 кВт с них снималось 4.5–5.5 кВт электрической мощности. Теплоносителем опять-таки являлась натрий-калиевая смесь. Масса установки получилась около тонны, расчетный срок службы был не менее 3 лет.

Один из реакторов, поставленных в США, 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. новая администрация Клинтона сократила расходы по проекту, ограничив его наземными испытаниями, а в 1996 г. он был закрыт.

Другие проекты космических реакторов 1990-х годов также не дошли до летных испытаний. Так, в 1993 г. были закрыты два американских проекта для Стратегической оборонной инициативы: ЯЭУ SP-100 с максимальной выходной электрической мощностью от 40 до 300 кВт и сроком службы от 3 до 7 лет и особо мощная установка MMW на 5 МВт электрической мощности. В России проводилась разработка мощной двухрежимной установки «Топаз-100/40» («Топаз-3») для сверхмощного геостационарного КА «Космическая звезда». В режиме 100 кВт (эл.) установка должна была использоваться совместно с ЭРД для перевода КА с начальной радиационно безопасной орбиты (800 км) на геостационар, а в режиме 40 кВт – для питания целевой аппаратуры в течение 7 лет.