[Параметры] [Интерфейс] [Работа с письмами] [Ошибки]
(01) (02) (03) (04) (05) (06) (07) (08) (09) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20) (21) (22) (23) (24) (25) (26) (27) (28) (29) (30) (31) (32) (33) (34) (35) (36) (37) (38) (39) (40) (41) (42) (43) (44) (45) (46) (47) (48) (49) (50) (51) (52) (53) (54) (55) (56) (57) (58)

Квантовую механику мы изучали по книге Дмитрия Ивановича Блохинцева. Каково же было мое удивление, когда при распределении меня направили к нему на работу. Я, заядлый экспериментатор (в детстве разобрал все часы в доме), и вдруг попадаю к известному теоретику. Меня охватила легкая паника, но по прибытии на место - "Объект В" МВД СССР в Обнинске - сразу понял, что волновался напрасно.

Полвека назад мне довелось участвовать в малоизвестной космической программе, которую инициировал выдающийся физик Дмитрий Иванович Блохинцев при поддержке "главного конструктора космонавтики" Сергея Павловича Королева. Речь идет о работах по созданию космических кораблей с ядерными двигателями.Памяти Дмитрия Ивановича Блохинцева.МОИ УНИВЕРСИТЕТЫ В 1950 году я защитил диплом инженера-физика в Московском механическом институте (ММИ) Министерства боеприпасов. Пятью годами раньше, в 1945-м, там был образован инженерно-физический факультет, готовивший специалистов для новой отрасли, в задачи которой входило в основном производство ядерного боеприпаса. Факультет не имел себе равных. Наряду с фундаментальной физикой в объеме университетских курсов (методы математической физики, теория относительности, квантовая механика, электродинамика, статистическая физика и другие) нам преподавали полный набор инженерных дисциплин: химию, металловедение, сопротивление материалов, теорию механизмов и машин и пр. Созданный выдающимся советским физиком Александром Ильичем Лейпунским инженерно-физический факультет ММИ вырос со временем в Московский инженерно-физический институт (МИФИ). Другой инженерно-физический факультет, также влившийся впоследствии в МИФИ, был сформирован в Московском энергетическом институте (МЭИ), но если в ММИ основной упор делался на фундаментальную физику, то в Энергетическом - на тепло- и электрофизику.

"Лицом к лицу лица не увидать"... В те годы мы многого не понимали. Только сейчас, когда наконец-то появилась возможность сопоставить дела и судьбы выдающихся ученых Физико-энергетического института (ФЭИ) - бывшего "Объекта В", переименованного 31 декабря 1966 года - складывается верное, как мне кажется, понимание идей, двигавших ими в то время. При всем многообразии дел, которыми приходилось заниматься институту, можно выделить приоритетные научные направления, оказавшиеся в сфере интересов его ведущих физиков.

К этому времени основная тематика "Объекта В", во главе которого до июня 1950 года фактически стоял А.И.Лейпунский, уже сформировалась. Здесь создавали реакторы с расширенным воспроизводством ядерного горючего - "быстрые бридеры". На посту директора Блохинцев инициировал развитие нового направления - создание двигателей на атомной тяге для космических полетов. Овладение космосом было давней мечтой Дмитрия Ивановича, еще в юности он переписывался и встречался с К.Э.Циолковским. Я думаю, что понимание гигантских возможностей ядерной энергии, по теплотворной способности в миллионы раз превышающей лучшие химические топлива, и определило жизненный путь Д.И.Блохинцева.

Интересы Д. И. Блохинцева (за ним закрепилось прозвище "Д.И.") были направлены на решение проблемы использования ядерной энергии для космических полетов. К сожалению, в конце 1950-х годов он был вынужден оставить эту работу и возглавить создание международного научного центра - Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Там он занимался импульсными быстрыми реакторами - ИБР. Это стало последним большим делом его жизни.

Главный интерес АИЛа (так в институте за глаза называли Александра Ильича Лейпунского) - развитие глобальной энергетики на основе быстрых реакторов-бридеров (ядерных реакторов, не имеющих ограничений в ресурсах ядерного горючего). Трудно переоценить значение этой поистине "космической" проблемы, которой он посвятил последние четверть века своей жизни. Немало сил Лейпунский потратил и на оборону страны, в частности на создание атомных двигателей для подводных лодок и тяжелых самолетов.

При Д. И. Блохинцеве вокруг Бондаренко сформировалась группа ученых, которые объединились, чтобы решить проблемы использования атомной энергии в космосе. Кроме Игоря Ильича Бондаренко в группу входили: Виктор Яковлевич Пупко, Эдвин Александрович Стумбур и автор этих строк. Главным идеологом был Игорь. Эдвин проводил экспериментальные исследования наземных моделей ядерных реакторов космических установок. Я занимался в основном ракетными двигателями "малой тяги" (тяга в них создается своеобразным ускорителем - "ионным движителем", который питается энергией от космической атомной электростанции). Мы исследовали процессы, протекающие в ионных движителях, на наземных стендах. На Викторе Пупко (в будущем он стал начальником отделения космической техники ФЭИ) лежала большая организационная работа. Игорь Ильич Бондаренко был выдающимся физиком. Он тонко чувствовал эксперимент, ставил простые, изящные и весьма эффективные опыты. Я думаю, как ни один экспериментатор, да, пожалуй, и немногие теоретики, "чувствовал" фундаментальную физику. Всегда отзывчивый, открытый и доброжелательный, Игорь был поистине душой института. До сих пор ФЭИ живет его идеями. Бондаренко прожил неоправданно короткую жизнь. В 1964-м, в возрасте 38 лет, он трагически погиб из-за врачебной ошибки. Как будто Бог, увидев, как много человек сделал, решил, что это уже чересчур и скомандовал: "Хватит".

ОДНА ЦЕЛЬ - ОДНА КОМАНДА Д. И. Блохинцев, преподававший в конце 1940-х в МГУ, приметил там, а затем пригласил на работу в Обнинск молодого физика Игоря Бондаренко, который буквально бредил космическими кораблями на атомной тяге. Первым его научным руководителем был А.И.Лейпунский, и Игорь, естественно, занимался его тематикой - быстрыми бридерами.

В. А. Малых начинал лаборантом в НИИ ядерной физики МГУ, имея за душой три курса физфака, - доучиться не дала война. В конце 1940-х годов ему удалось создать технологию изготовления технической керамики на основе окиси бериллия - материала уникального, диэлектрика с высокой теплопроводностью. До Малыха многие безуспешно бились над этой проблемой. А топливный элемент на основе серийной нержавеющей стали и природного урана, разработанный им для первой атомной электростанции, - чудо по тем да и по нынешнем временам. Или созданный Малыхом термоэмиссионный топливный элемент реактора-электроге нератора для питания космических аппаратов - "гирлянда". До сих пор в этой области не появилось ничего лучшего. Творения Малыха были не демонстрационными игрушками, а элементами ядерной техники. Они работали месяцы и годы. Владимир Александрович стал доктором технических наук, лауреатом Ленинской премии, Героем Социалистического Труда. В 1964 году он трагически погиб от последствий военной контузии.

Нельзя не вспомнить еще одну уникальную личность - Владимира Александровича Малыха, технолога "от Бога", современного лесковского Левшу. Если "продукцией" упомянутых выше ученых были в основном идеи и расчетные оценки их реальности, то работы Малыха всегда имели выход "в металле". Его технологический сектор, насчитывавший во времена расцвета ФЭИ более двух тысяч сотрудников, мог сделать, без преувеличения, все. Причем ключевую роль всегда играл он сам.

Любопытна история создания ракеты, поднявшей в космос первого космонавта планеты - Юрия Гагарина. Связана она с именем Андрея Дмитриевича Сахарова. В конце 1940-х годов он разработал комбинированный делительно-термоядерный заряд - "слойку", видимо, независимо от "отца водородной бомбы" Эдварда Теллера, который предложил аналогичное изделие под названием "будильник". Однако вскоре Теллер понял, что ядерный заряд такой схемы будет иметь "ограниченную" мощность, не более ~ 500 килотонн толового эквивалента. Для "абсолютного" оружия этого мало, поэтому "будильник" был заброшен. В Союзе же в 1953 году взорвали сахаровскую слойку РДС-6с.

ШАГ ЗА ШАГОМ С. П. Королев и Д. И. Блохинцев с давних пор вынашивали мечту о полете человека в космос. Между ними установились тесные рабочие связи. Но в начале 1950-х годов, в разгар "холодной войны", средств не жалели только на военные цели. Ракетная техника рассматривалась лишь как носитель ядерных зарядов, а о спутниках и не помышляли. Между тем Бондаренко, зная о последних достижениях ракетчиков, настойчиво выступал за создание искусственного спутника Земли. Впоследствии об этом никто и не вспомнил.

На начальном этапе космической ядерной программы ФЭИ совместно с КБ В. Н. Челомея разрабатывал крылатую атомную ракету. Это направление развивалось недолго и завершилось расчетами и испытанием элементов двигателя, созданного в отделении В.А.Малыха. По сути, речь шла о низколетящем беспилотном самолете с прямоточным ядерным двигателем и ядерной боеголовкой (своего рода ядерный аналог "жужжащего клопа" - немецкой V-1). Система стартовала с помощью обычных ракетных ускорителей. После выхода на заданную скорость тяга создавалась атмосферным воздухом, нагреваемым за счет цепной реакции деления окиси бериллия, пропитанной обогащенным ураном.

После успешных испытаний и избрания Сахарова в академики тогдашний глава Минсредмаша В. А. Малышев пригласил его к себе и поставил задачу определить параметры бомбы следующего поколения. Андрей Дмитриевич оценил (без детальной проработки) вес нового, значительно более мощного заряда. Докладная Сахарова легла в основу постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР, которое обязало С.П.Королева разработать под этот заряд баллистическую ракету-носитель. Именно такая ракета Р-7 под названием "Восток" и вывела на орбиту искусственный спутник Земли в 1957-м и космический корабль с Юрием Гагариным в 1961-м. Использовать ее как носитель тяжелого ядерного заряда тогда уже не планировали, поскольку развитие термоядерного оружия пошло иным путем.

Один из путей существенного повышения скорости истечения - создание ядерных термических ракет. У нас это были баллистические атомные ракеты (БАР) с радиусом действия несколько тысяч километров (совместный проект ОКБ-1 и ФЭИ), у американцев - аналогичные системы типа "Киви". Двигатели испытывались на полигонах под Семипалатинском и в Неваде. Принцип их действия следующий: водород нагревается в ядерном реакторе до высоких температур, переходит в атомарное состояние и уже в таком виде истекает из ракеты. Скорость истечения при этом повышается более чем вчетверо по сравнению с химической водородной ракетой. Вопрос состоял в том, чтобы выяснить, до какой температуры можно нагреть водород в реакторе с твердыми топливными элементами. Расчеты давали около 3000 оК.

Вообще говоря, возможность выполнения ракетой той или иной задачи космонавтики определяется скоростью, которую она приобретает после использования всего запаса рабочего тела (топлива и окислителя). Ее вычисляют по формуле Циолковского: V = c ln Mн/ Мк, где с - скорость истечения рабочего тела, а Мн и Мк - начальная и конечная масса ракеты. В обычных химических ракетах скорость истечения определяется температурой в камере сгорания, видом топлива и окислителя и молекулярным весом продуктов сгорания. Например, американцы для высадки астронавтов на Луну использовали в спускаемом аппарате в качестве топлива водород. Продукт его сгорания - вода, чей молекулярный вес сравнительно низок, и скорость истечения в 1,3 раза выше, чем при сжигании керосина. Этого достаточно, чтобы спускаемый аппарат с космонавтами достиг поверхности Луны и затем вернул их на орбиту ее искусственного спутника. У Королева работы с водородным топливом были приостановлены из-за аварии с человеческими жертвами. Создать лунный спускаемый аппарат для человека мы не успели.

Работы ФЭИ по баллистическим атомным ракетам завершились в 1969-1970 годах "огневыми испытаниями" на семипалатинском полигоне прототипа ядерного ракетного двигателя с твердыми топливными элементами. Его создавал ФЭИ в кооперации с воронежским КБ А.Д.Конопатова, московским НИИ-1 и рядом других технологических групп. Основу двигателя с тягой 3,6 т составлял ядерный реактор ИР-100 с топливными элементами из твердого раствора карбида урана и карбида циркония. Температура водорода достигала 3000 оК при мощности реактора ~ 170 МВт.

В НИИ-1, научным руководителем которого был Мстислав Всеволодович Келдыш (тогда президент Академии наук СССР), отдел В. М. Иевлева с участием ФЭИ занимался совсем уж фантастической схемой - газофазным реактором, в котором цепная реакция протекает в газовой смеси урана и водорода. Из такого реактора водород истекает еще раз в десять быстрее, чем из твердотопливного, уран же сепарируется и остается в активной зоне. Одна из идей предполагала использование центробежной сепарации, когда горячая газовая смесь урана и водорода "закручивается" поступающим холодным водородом, в результате чего уран и водород разделяются, как в центрифуге. Иевлев пытался, по сути дела, прямо воспроизвести процессы в камере сгорания химической ракеты, используя в качестве источника энергии не теплоту сгорания топлива, а цепную реакцию деления. Это открывало путь к полному использованию энергоемкости атомных ядер. Но вопрос о возможности истечения из реактора чистого водорода (без урана) так и остался нерешенным, не говоря уже о технических проблемах, связанных с удержанием высокотемпературных газовых смесей при давлениях в сотни атмосфер.

Ускорение ракеты с электрореактивным двигателем (ЭРД) определяется отношением удельной мощности установленной на нет космической атомной электростанции (КАЭС) к скорости истечения. В обозримом будущем удельные мощности КАЭС, судя по всему, не превысят 1 кВт/кг. При этом возможно создание ракет с малой тягой, в десятки и сотни раз меньшей веса ракеты, и с очень малым расходом рабочего тела. Такая ракета может стартовать только с орбиты искусственного спутника Земли и, медленно ускоряясь, достигать больших скоростей.

Атомные ракеты малой тяги До сих пор речь шла о ракетах с тягой, превышающей их вес, которые могли бы стартовать с поверхности Земли. В таких системах увеличение скорости истечения позволяет снизить запас рабочего тела, повысить полезную нагрузку и отказаться от многоступенчатости. Однако есть пути достижения практически неограниченных скоростей истечения, например ускорение вещества электромагнитными полями. Я занимался этим направлением в тесном контакте с Игорем Бондаренко почти 15 лет.

Проведенные расчеты показали, что во время Великого противостояния, когда Земля и Марс находятся ближе всего друг к другу, можно за один год осуществить полет ядерного космического корабля с экипажем к Марсу и возвратить его на орбиту искусственного спутника Земли. Полный вес такого корабля - около 5 т (включая запас рабочего тела - цезия, равный 1,6 т). Он определяется в основном массой КАЭС мощностью 5 МВт, а реактивная тяга - двухмегаваттным пучком ионов цезия с энергией 7 килоэлектронвольт *. Корабль стартует с орбиты искусственного спутника Земли, выходит на орбиту спутника Марса, а спускаться на его поверхность придется уже на аппарате с водородным химическим двигателем, подобным американскому лунному.

Для полетов в пределах Солнечной системы нужны ракеты со скоростью истечения 50-500 км/с, а для полетов к звездам - выходящие за пределы нашего воображения "фотонные ракеты" со скоростью истечения, равной скорости света. Чтобы осуществить сколько-нибудь разумный по времени дальний космический полет, необходимы невообразимые удельные мощности энергетических установок. Пока нельзя даже представить, на каких физических процессах они могут быть основаны.

ИОННЫЕ ДВИЖИТЕЛИ В те годы обсуждались пути создания различных электрореактивных движителей для космических аппаратов, таких, как "плазменные пушки", электростатические ускорители "пыли" или капель жидкости. Однако ни одна из идей не имела под собой четкой физической основы. Находкой оказалась поверхностная ионизация цезия.

Этому направлению, основанному на технических решениях, возможных уже сегодня, был посвящен большой цикл работ ФЭИ.

Большую роль в создании моделей ионного движителя такой схемы сыграл наш коллега Сталь Яковлевич Лебедев. Своим железным упорством и настойчивостью он преодолевал все преграды. В результате удалось воспроизвести в металле плоскую трехэлектродную схему ионного движителя. Первый электрод - пластина вольфрама размером примерно 10х10 см с потенциалом +7 кВ, второй - сетка из вольфрама с потенциалом -3 кВ, третий - сетка из торированного вольфрама с нулевым потенциалом. "Молекулярная пушка" давала пучок паров цезия, который сквозь все сетки попадал на поверхность вольфрамовой пластины. Уравновешенная и откалиброванная металлическая пластина, так называемые весы, служила для измерения "силы", т.е. тяги ионного пучка.

Еще в 20-е годы прошлого века американский физик Ирвинг Лэнгмюр открыл поверхностную ионизацию щелочных металлов. При испарении атома цезия с поверхности металла (в нашем случае - вольфрама), у которого работа выхода электронов больше потенциала ионизации цезия, он практически в 100% случаев теряет слабо связанный электрон и оказывается однократно заряженным ионом. Таким образом, поверхностная ионизация цезия на вольфраме и есть тот физический процесс, который позволяет создать ионный движитель с почти 100-процентным использованием рабочего тела и с энергетическим кпд, близким к единице.

Первый опыт с моделью ионного движителя положил начало более чем десятилетним работам. Одна из последних моделей - с пористым вольфрамовым эмиттером, созданная в 1965 году, давала "тягу" около 20 г при токе ионного пучка 20 А, имела коэффициент использования энергии около 90% и вещества - 95%.

Ускоряющее напряжение до первой сетки разгоняет ионы цезия до 10 000 эВ, тормозящее напряжение до второй замедляет их до 7000 эВ. Это та энергия, с которой ионы должны покидать движитель, что соответствует скорости истечения 100 км/с. Но пучок ионов, ограниченный объемным зарядом, не может "выйти в открытый космос". Объемный заряд ионов необходимо скомпенсировать электронами, чтобы образовалась квазинейтральная плазма, которая беспрепятственно распространяется в пространстве и создает реактивную тягу. Источником электронов для компенсации объемного заряда ионного пучка служит нагреваемая током третья сетка (катод). Вторая, "запирающая" сетка не дает электронам попасть с катода на вольфрамовую пластину.

Из литературы мы знали о работах А.Ф.Иоффе - основателя советской школы технической физики, пионера в исследовании полупроводников в СССР. Мало кто теперь помнит о разработанных им источниках тока, применявшихся в годы Великой Отечественной войны. Тогда не один партизанский отряд имел связь с Большой землей благодаря "керосиновым" ТЭГам - термоэлектрогенераторам Иоффе. "Венец" из ТЭГов (он представлял собой набор полупроводниковых элементов) надевался на керосиновую лампу, а его провода подсоединялись к радиоаппаратуре. "Горячие" концы элементов нагревались пламенем керосиновой лампы, "холодные" - остывали на воздухе. Поток тепла, проходя через полупроводник, порождал электродвижущую силу, которой хватало для сеанса связи, а в промежутках между ними ТЭГ заряжал аккумулятор. Когда через десять лет после Победы мы побывали на московском заводе ТЭГов, оказалось, что они еще находят сбыт. У многих деревенских жителей были тогда экономичные радиоприемники "Родина" на лампах прямого накала, работающие от батареи. Вместо них зачастую использовали ТЭГи.

ПРЯМОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЯДЕРНОГО ТЕПЛА В ЭЛЕКТРИЧЕСТВО Пути прямого преобразования энергии ядерного деления в электрическую пока не найдены. Мы еще не можем обойтись без промежуточного звена - тепловой машины. Поскольку ее кпд всегда меньше единицы, "отработанное" тепло нужно куда-то девать. На земле, в воде и в воздухе с этим проблем нет. В космосе же существует только один путь - тепловое излучение. Таким образом, КАЭС не может обойтись без "холодильника-излучателя". Плотность же излучения пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры, поэтому температура холодильника-излучателя должна быть как можно более высокой. Тогда удастся сократить площадь излучающей поверхности и соответственно массу энергетической установки. У нас появилась идея использовать "прямое" преобразование ядерного тепла в электричество, без турбины и генератора, что казалось более надежным при длительной работе в области высоких температур.

В свое время А. Ф. Иоффе предложил еще один термоэмиссионный преобразователь - диод в вакууме. Принцип его действия следующий: нагретый катод испускает электроны, часть их, преодолевающая потенциал анода, совершает работу. От этого прибора ожидали значительно большего кпд (20-25%) при рабочей температуре выше 1000 оК. Кроме того, в отличие от полупроводника вакуумный диод не боится нейтронного излучения, и его можно совместить с ядерным реактором. Однако оказалось, что осуществить идею "вакуумного" преобразователя Иоффе невозможно. Как и в ионном движителе, в вакуумном преобразователе нужно избавиться от объемного заряда, но на этот раз не ионов, а электронов. А.Ф.Иоффе предполагал использовать в вакуумном преобразователе микронные зазоры между катодом и анодом, что в условиях высоких температур и термических деформаций практически невозможно. Вот тут-то и пригодился цезий: один ион цезия, полученный за счет поверхностной ионизации на катоде, компенсирует объемный заряд около 500 электронов! По сути дела, цезиевый преобразователь - это "обращенный" ионный движитель. Физические процессы в них близки.

Беда керосинового ТЭГа - его низкий кпд (всего около 3,5%) и невысокая предельная температура (350 оК). Но простота и надежность этих приборов привлекали разработчиков. Так, полупроводниковые преобразователи, разработанные группой И.Г.Гвердцители в Сухумском физико-техническом институте, нашли применение в космических установках типа "Бук".

Вся трудность заключалась в ресурсе, ведь в дальних космических полетах турбогенераторы должны работать год, два, а то и несколько лет. Чтобы уменьшить износ, "обороты" (скорость вращения турбины) нужно сделать по возможности более низкими. С другой стороны, турбина работает эффективно, если скорость молекул газа или пара близка к скорости ее лопаток. Поэтому сначала мы рассматривали применение самого тяжелого - ртутного пара. Но нас испугала интенсивная радиационно-стимулированная коррозия железа и нержавеющей стали, которая возникала в охлаждаемом ртутью ядерном реакторе. За две недели коррозия "съела" тепловыделя ющие элементы опытного быстрого реактора "Клементина" в Аргонской лаборатории (США,1949 год) и реактора БР-2 в ФЭИ (СССР, Обнинск, 1956 год).

"ГИРЛЯНДЫ" В. А. МАЛЫХА Одним из результатов работ ФЭИ над термоэмиссионными преобразователями были создание В.А.Малыхом и серийный выпуск в его отделении тепловыделяющих элементов из последовательно соединенных термоэмиссионных преобразователей - "гирлянд" для реактора "Топаз". Они давали до 30 В - раз в сто больше, чем одноэлементные преобразователи, созданные "конкурирующими организациями" - ленинградской группой М.Б.Барабаша и позднее - Институтом атомной энергии. Это позволяло "снимать" с реактора в десятки и сотни раз большую мощность. Однако надежность системы, напичканной тысячами термоэмиссионных элементов, вызывала опасения. В то же время паро- и газотурбинные установки работали без сбоев, поэтому мы обратили внимание и на "машинное" преобразование ядерного тепла в электричество.

В дальнейшем, я думаю, просто пропал интерес к космическим полетам с использованием ядерных ракетных двигателей. После смерти Сергея Павловича Королева поддержка работ ФЭИ по ионным движителям и "машинным" ядерно-энергетическим установкам заметно ослабла. ОКБ-1 возглавил Валентин Петрович Глушко, у которого не было интереса к смелым перспективным проектам. Созданное им ОКБ "Энергия" строило мощные химические ракеты и возвращаемый на Землю космический корабль "Буран".

Заманчивым оказался калиевый пар. Реактор с кипящим в нем калием лег в основу разрабатываемой нами энергетической установки космического корабля малой тяги - калиевый пар вращал турбогенератор. Такой "машинный" способ преобразования тепла в электричество позволял рассчитывать на кпд до 40%, в то время как реальные термоэмиссионные установки давали кпд всего около 7%. Однако КАЭС с "машинным" преобразованием ядерного тепла в электричество не получили развития. Дело завершилось выпуском подробного отчета, по сути - "физической записки" к техническому проекту космического корабля малой тяги для полета с экипажем к Марсу. Сам проект так и не был разработан .

Установку "Бук" под научным руководством ФЭИ разрабатывали специалисты ОКБ-670 М.М.Бондарюка, позднее - НПО "Красная звезда" (главный конструктор - Г.М.Грязнов). Создать ракету-носитель для вывода спутника на орбиту поручили днепропетровскому КБ "Южмаш" (главный конструктор - М.К.Янгель).

"БУК" И "ТОПАЗ" НА СПУТНИКАХ СЕРИИ "КОСМОС" Работы по созданию КАЭС с прямым преобразованием тепла в электричество, теперь уже в качестве источников питания для мощных радиотехнических спутников (космических радиолокационных станций и телетрансляторов), продолжались до начала перестройки. С 1970 по 1988 год в космос запустили около 30 радиолокационных спутников с ядерно-энергетическими установками "Бук" с полупроводниковыми реакторами-преобразователями и два - с термоэмиссионными установками "Топаз". "Бук", по сути дела, представлял собой ТЭГ - полупроводниковый преобразователь Иоффе, только вместо керосиновой лампы в нем использовался ядерный реактор. Это был быстрый реактор мощностью до 100 кВт. Полная загрузка высокообогащенного урана составляла около 30 кг. Тепло из активной зоны передавалось жидким металлом - эвтектическим сплавом натрия с калием полупроводниковым батареям. Электрическая мощность достигала 5 кВт.

В термоэмиссионной ядерно-энергетической установке "Топаз" использовался тепловой реактор мощностью до 150 кВт. Полная загрузка урана составляла около 12 кг - значительно меньше, чем у "Бука". Основой реактора были тепловыделяющие элементы - "гирлянды", разработанные и изготовленные группой Малыха. Они представляли собой цепочку термоэлементов: катод - "наперсток" из вольфрама или молибдена, заполненный окисью урана, анод - тонкостенная трубка из ниобия, охлаждаемая жидким натрий-калием. Температура катода достигала 1650oC. Электрическая мощность установки доходила до 10 кВт.

Время работы "Бука" - 1-3 месяца. Если установка отказывала, спутник переводили на орбиту длительного существования высотой 1000 км. За почти 20 лет запусков было три случая падения спутника на Землю: два - в океан и один - на сушу, в Канаде, в окрестности Большого Невольничьего озера. Туда упал "Космос-954", запущенный 24 января 1978 года. Он проработал 3,5 месяца. Урановые элементы спутника полностью сгорели в атмосфере. На земле нашли лишь остатки бериллиевого отражателя и полупроводниковых батарей. (Все эти данные приведены в совместном отчете атомных комиссий США и Канады об операции "Утренний свет".)

Термоэмиссионные реакторы-преобразователи, созданные под научным руководством ФЭИ, - крупнейшее достижение российской науки и техники. В 1980-х годах им не было равных. Успех "Топазов" стимулировал разработку ряда проектов реакторов с термоэмиссионными преобразователями, в частности ядерно-энергетической установки электрической мощностью до 500 кВт на основе реактора с литиевым охлаждением. Его совместно создавали ФЭИ и НПО "Энергия", где работу возглавлял старейший ракетчик Михаил Васильевич Мельников. Хочу воспользоваться случаем и поделиться, в заключение, впечатлениями о знакомстве с его замечательной лабораторией.

Первый летный образец - спутник "Космос-1818" с установкой "Топаз" вышел на орбиту 2 февраля 1987 года и безотказно проработал полгода, до исчерпания запасов цезия. Второй спутник - "Космос-1876" был запущен через год. Он отработал на орбите почти в два раза дольше. Главным разработчиком "Топаза" было ОКБ ММЗ "Союз", возглавляемое С.К.Туманским (бывшее КБ конструктора авиамоторов А.А.Микулина).

Так создавались двигатели химических ракет, которым предстояло работать всего 20-30 минут. Что же говорить об испытаниях и доработках ядерно-энергетических установок - расчет был на то, что они должны работать не один год. Это требовало поистине гигантских усилий.

Это было в конце 1950-х годов, когда мы занимались ионным движителем, а он - двигателем третьей ступени, предназначавшимся для ракеты, которой предстояло облететь Луну и совершить посадку на нее. Воспоминания о мельниковской лаборатории свежи и поныне. Она располагалась в Подлипках (ныне г.Королев), на площадке № 3 ОКБ- Огромный цех площадью около 3000 м2, уставленный десятками письменных столов со шлейфными осциллографами, производящими запись на 100-миллиметровой рулонной бумаге (это была еще прошлая эпоха, сегодня хватило бы одного персонального компьютера). У передней стены цеха - стенд, где монтируется камера сгорания двигателя "лунной" ракеты. К осциллографам идут тысячи проводов от датчиков скорости газов, давления, температуры и других параметров. День начинается в 9.00 с зажигания двигателя. Он работает несколько минут, затем сразу после остановки бригада механиков первой смены разбирает его, тщательно осматривает и измеряет камеру сгорания. Одновременно анализируются ленты осциллографов и вырабатываются рекомендации по изменениям конструкции. Вторая смена - конструкторы и рабочие мастерских вносят рекомендованные изменения. В третью смену на стенде монтируются новая камера сгорания и система диагностики. Через сутки, ровно в 9.00, - следующий сеанс. И так без выходных недели, месяцы. Более 300 вариантов двигателя за год!

Бондаренко И. И., Гуськов Ю. К., Пупко В. Я., Стаханов И. П., Стависский Ю. Я. и др. Теоретические и экспериментальные исследования, связанные с разработкой термоэмиссионных реакторов-преоб разователей / Доклад на III Женевской конференции по использованию атомной энергии. - 196

Доктор физико-математических наук Ю. СТАВИССКИЙ.С признательностью за предоставленные материалы моему коллеге профессору Павлу Анатольевичу Кириллову.ЛИТЕРАТУРАБондаренко И. И., Стависский Ю. Я. Импульсный режим работы быстрого реактора // "Атомная энергия", 1959, №

Стависский Ю. Я., Лебедев С. Я., Бондаренко И. И. и др. Опыт получения реактивной тяги в лабораторной модели ионного движителя // "Журнал технической физики", 1959, №

Пупко В. Я. История работ по летательным аппаратам на ядерной энергии в ФЭИ им. Лейпунского . - Обнинск: Изд-во ФЭИ, 200

Феоктистов Л. П. Оружие, которое себя исчерпало . - М., 1999.*1 эВ (электронвольт) - энергия, достигнутая элементарной частицей при прохождении между электродами с разностью потенциалов 1 В.

Стависский Ю. Я. Мы из Обнинска. Записки нейтронщика . - М.: Энергоатомиздат, 200

Организатор и первый директор Физико-технического института Абрам Федорович Иоффе. 1952 год.

Создатель "Объекта В" МВД СССР в Обнинске, позже преобразованного в Физико-энергети ческий институт, Александр Ильич Лейпунский. Обнинск, 1971 год.

Главный конструктор космической техники Сергей Павлович Королев и первый космонавт планеты Юрий Алексеевич Гагарин. Звездный городок, 1961 год.

Первый директор Физико-энергетического института, а затем и Объединенного института ядерных исследований Дмитрий Иванович Блохинцев справа участвует в научной дискуссии. Дубна, 1975 год.

Владимир Александрович Малых. Обнинск, 1958 год.

Игорь Ильич Бондаренко. Обнинск, 1962 год.

Эдвин Александрович Стумбур. Обнинск. 1984 год.

Юрий Яковлевич Стависский. Обнинск, 1968 год.

Схема модели ионного движителя с пористым эмиттером: 1 - компенсирующая сетка (набор оксидных катодов); 2 - запирающая сетка (стальные трубки, охлаждаемые воздухом); 3 - эмиттер (пластинка из пористого вольфрама); 4 - подогреватель эмиттера; 5 - измеритель давления паров цезия по току поверхностной ионизации на центральную нить; 6 - игольчатый вентиль - дозатор паров цезия.

Виктор Яковлевич Пупко. Обнинск, 1980 год.

Ядерно-энергетическая установка "Бук" с полупроводниковым реактором-преобразователем для радиолокационных спутников.

Схема термоэмиссионного электрогенерирующего канала ("гирлянды" В.А.Малыха): 1 - сердечник из окиси обогащенного урана; 2 - катод (молибден, вольфрам); 3 - анод (ниобий); 4 - вакуумный зазор с парами цезия; 5 - изоляция (окись берилия); 6 - корпус (сталь); 7 - теплоноситель (натрий-калий).



Ядерно-энергетическая термоэмиссионная установка "Топаз".



(01) (02) (03) (04) (05) (06) (07) (08) (09) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) (17) (18) (19) (20) (21) (22) (23) (24) (25) (26) (27) (28) (29) (30) (31) (32) (33) (34) (35) (36) (37) (38) (39) (40) (41) (42) (43) (44) (45) (46) (47) (48) (49) (50) (51) (52) (53) (54) (55) (56) (57) (58)