Astronautika: istorija

14. jun. 2011.

Sećam se, kad sam bio mali, jedino gde se redovno pričalo o kosmosu bilo je u stripu „Flash Gordon“, koji je izlazio u famoznom „Politikinom Zabavniku“. Tamo su kosmičke rakete redovno bile na atomski pogon, tako da sam bio prilično zatečen kada sam čuo da prvi Sovjeti lete i orbitu na nekim, kako su ih tada zvali, „himijskim“ raketama. Znao sam da atomska bomba već postoji, kao i atomski ledolomci i podmornice, i nije mi bilo jasno zašto niko ne koristi takvu energiju za pogon raketa u svemir kada su Flaš i dr Zarkov već pokazali kako se to radi ... Kasnije sam (kao) nešto povezao, ali nikad nisam uspeo da dokučim šta je bilo to što je razvoj raketnih motora skrenuo u drugom pravcu.

Tako je, dakle, to ostala jedna od tema koju već duže vremena želim da obradim – kako zbog sebe, tako možda i zbog nekog klinca koga isto kao i mene nekada muči isto pitanje. Pre izvesnog vremena sam na ovom sajtu napisao jedan tekst na tu temu, ali on je bio više usko usmeren na Koroljevljeve biroe i njihovu vezu sa atomskom temom. Sada ću pokušati da ispričam priču hronološki, sa osvrtom i na neke američke naučne napore u osvajanju ove i do danas nedovoljno iskorišćene tehnologije.

Nuklearni reaktori i termoelektrični generatori

Počev od ranih šezdesetih godina prošlog veka, SSSR, SAD, Francuska, Nemačka i mnoge druge zemlje, započeli su ozbiljne radove na novim metodama dobijanja električne energije, a posebno na direktnoj konverziji toplotne energije u električnu uz pomoć različitih termoelektričnih i termoemisionih konvertora.

Interesovanje za ovu temu proisticao je iz činjenice da su ove metode pretvaranja energije principijelno uprošćavale šemu uređaja, eliminišući usputne etape pretvaranja energije i omogućavajući stvaranje kompaktnih i laganih energetskih uređaja.

Međutim, upotreba nuklearnih izvora energije na kosmičkim letilicama bila je povezana sa rešavanjem velikog niza bezbednosnih problema. Prvo iskustvo u rešavanju takvih problema u SSSR-u bilo je vezano za lansiranje u kosmos letilica sa radioizotopskim izvorima energije (RTG[1]).

Kada sonde lete tako daleko da ne mogu da koriste solarnu energiju, primorane su da koriste RTG. Taj izvor energije koristili su Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Galileo, Ulysses, Cassini i New Horizons. Na slici je parče ²³⁸PuO₂ korišćeno u misijama „Galileo“, koje je davalo 62 W energije. Crveni sjaj potiče od radioaktivnog α zračenja.

 

Prve radioizotopske generatore su u kosmos lansirali Amerikanci – bio je to „SNAP 3“[2] (Systems for Nuclear Auxiliary Power) koji je sredinom 1961. godine poleteo u malom navigacionom mornaričkom satelitu „Transit 4A“. Otprilike u isto vreme i Sovjeti su došli na istu ideju. U septembru 1965. godine, prvi put u Rusiji su u sastavu dva vezana vojna satelita „Стрела-1“ (3.9.1965. – „Koсмос-84“, 18.9.1965. – „Космос-90“) lansirani radioizotopski termoenergetski generatori (РИТЭГ) tipa „Орион-1“ električne snage od 20 vati. Težina RTG je bila 14,8 kg, a procenjen resurs – 4 meseca. Ampule RTG-a, koje su sadržale polonijum-210, bile su konstruisane u skladu sa principima garantovanog očuvanja kompaktnosti i hermetičnosti u slučaju bilo kakve havarije. Ovaj princip se dokazao na delu prilikom havarije rakete-nosača 1969. godine, kada je uprkos potpunom uništenju satelita i bloka s gorivom, sadržaj od 25.000[3] kirija polonijuma-210 ostao hermetički zatvoren[4].

Prvi izotopski generatori električne energije u SSSR-u bili su 1965. godine montirani na satelitima veze serije „Стрела-1“. Kao izvor energije korišćen je izotop polonijuma.

 

U narednim godinama nastavljeni su radovi sa ciljem povećavanja snage i resursa RTG-a za lunarne rovere i letilice za duboki kosmos. Razvijeni dizajni RTG-a razlikovali su se po korišćenim izotopima, termoelektričnim materijalima, konstruktivnim karakteristikama, itd. To je značajno povećalo cenu i iskomplikovalo proizvodnje takvih izvora energije.

Relativno mala snaga RTG-a, njihova visoka cena, kompleksnost u rešavanju problema njihovog korišćenja u kosmosu i uspesi u proizvodnji izvora energije na bazi nuklearnih reaktora, doveli su do gašenja ruskih napora na temu kosmičkih RTG.

Prvi nuklearni reaktor korišćen na kosmičkoj letilici bio je američki SNAP-10A (System of Nuclear Auxiliary Power). Nalazio se na satelitu SNAPSHOT mase 440 kg, koji je 3. aprila 1965. lansiran raketom „Atlas/Agena D“ i dospeo na visinu od 1.300 km, sa cezijumskim jonskim motorom kao sekundarnim teretom. Reaktor je kao gorivo koristio uran-235, kao usporavač hidrid cirkonijuma, a rastvor natrijum-kalijum kao raznosač toplote. Toplotna snaga reaktora bila je oko 40 kW, a električna snaga od 500 do 650 vati. Dimenzije reaktora su bile 22,4 х 39,6 cm a težina bez obloga 290 kg. Reaktor je radio 43 dana, nakon čega je jedan banalni električni kvar izazvao isključivanje jezgra reaktora. Satelit se raspao i pao u more novembra 1979. godine.

Upotreba termoelektričnih i termoemisionih pretvarača energije u kombinaciji sa nuklearnim reaktorima omogućilo je kreiranje principijelno potpuno novih vrsta uređaja, kod kojih su izvor toplotne energije – nuklearni reaktor, i pretvarač toplotne u električnu energiju, bili kombinovani u jedan agegat – reaktor-pretvarač.

Da bi eksperimentalno proverili mogućnost da se u SSSR-u proizvedu mali reaktori-pretvarači radi direktne konverzije toplotne energije u električnu, u Kurčatovljevom institutu za atomsku energiju[5], u saradnji sa Suhumskim fizičko-hemijskim institutom[6], Harkovskim fizičko-hemijskim institutom i Podoljskim naučno-istraživačkim tehnološkim institutom, 1964. godine je proizveden i izvršen pun krug nuklearnih testiranja eksperimentalnog uređaja „Ромашка“ („Bela Rada“). Radilo se o visokotemperaturnom reaktoru-pretvaraču sa brzim neutronima, u kome se toplota, generisana u aktivnom jezgru, toploprovodivim materijalima prenosi na spoljnu površinu reflektora termoelektričnog pretvarača, stvarajući oko 500 vati električne energije. Neiskorišćena toplota se zračenjem ispuštala sa pretvarača u okolni prostor preko posebno dizajniranog rebrastog radijatora (hladnjaka-ozračivača). Rekator-pretvarač „Ромашка“ pušten je u rad 14.8.1964. godine i uspešno je radio ~15.000 sati (umesto očekivanih 1.000 h), stvorivši pri tome ~6.100 kWh elektroenergije.

Uspešno testiranje i rad uređaja „Ромашкa“ pokazao je da je Sovjetski Savez prvi u svetu napravio radni visokotemperaturni nuklearni reaktor-pretvarač, koji omogućava direktno dobijanje struje bez pokretnih radnih delova i mehanizama, te eksperimentalno potvrdio njegovu sposobnost dugotrajnog korišćenja.

Naknadna rukovanja i proučavanja elemenata „Ромашкe“ pokazala su da postignuti parametri i resursi nisu ograničavajući, već da mogu biti povećani na račun određenih usavršavanja konstrukcije, posebno korišćenjem modula termoemisionih elemenata umesto termoelektričnih pretvarača energije, gde bi moduli bili raspoređeni na granici aktivnog jezgra i radijacionog reflektora.

„Ромашка“ – mali reaktorsko-termoelektrični uređaj, koji je prvi uspeo da direktno pretvori toplotnu energiju, dobijenu u nuklearnom reaktoru, u električnu struju. То је bilo slično kao RTG, ali je bilo brže i lakše nego da se greje voda koja bi pokretala turbine. Kao gorivo je korišćen obogaćeni uran u vidu UC₂ (uran karbida). Snaga uređaja je bila oko 500 vati.

Složeni testovi sprovedeni sa uređajem „Ромашкa“ pokazali su njegovu apsolutnu pouzdanost i sigurnost. Međutim, zbog činjenice da je pred kraj sprovođenja testova bila izgrađena kosmička nuklearna elektrana „БЭС-5“ daleko veće snage, svi dalji eksperimenti sa „Ромашкoм“ su obustavljeni. Na osnovu „Ромашкe“ napravljeno je eksperimentalno postrojenje „Гамма“ – prototip autonomne pokretne mini-atomske centrale „Елена“[7] električne snage do 500 W, namenjene civilnom elektro-snabdevanju udaljenih rejona zemlje.

Nuklearni uređaj „Бук“

Razvoj prve kosmičke nuklearne električne stanice u SSSR-u, „БЭС-5“, nazvane „Бук“ („Bukva“), sa homogenim reaktorom sa brzim neutronima i termoelektričnim poluprovodničkim generatorom (ТЭГ), izveden je u skladu sa odlukama Centralnog Komiteta Partije i Saveza Ministara SSSR-a od 16.3.1961, 3.7.1962. i 24.9.1965. godine, i u kooperaciji sa mnogim razvojnim preduzećima u zemlji, kao i sa Akademijom nauka SSSR-a. Stanica je projektovana za napajanje instrumenata za radarsko nadgledanje na satelitu tokom njenog rada na orbiti oko Zemlje visine oko 260 km. Kao rezultat ovih proračuna, i konstruktorskih i eksperimentalnih radova, do 1970. u praksi su rešeni svi principijelni problemi za proizvodnju „БЭС-5“, izlazne snage 2.800 vati i resursom 1.080 sati.

U periodu od 1963. do 1969. godine sprovođena su brojna testiranja „Бука“, u početku uglavnom bez termoelektričnog generatora i reaktora. U toku sledećih par godina, u testiranje su uključeni i odgovarajući reaktori[8], i svi postavljeni zadaci bili su ispunjeni u potpunosti. Za vreme testiranja (1.200 sati), električna snaga osnovne sekcije termo-generatora spala je za 10%, i na kraju je iznosila 905 vati odn. 1.040 vati pri temperaturama od 690° C odn. 715° C. Neutronsko-fizičke karakteristike reaktora, izmerene za vreme stacionarnog režima rada, sve vreme su bile stabilne, i slagale su se sa proračunatim vrednostima zacrtanim na Kurčatovljevom Institutu za fiziku.

Kosmički nuklearni energetski uređaj БЭС-5 „Бук“.

1 – nuklearni reaktor; 2 – rashladni sistem cevi za prenos tečnog metala; 3 – zaštita od zračenja; 4 – kompenzacioni sud tečnog metala; 5 – radijator; 6 – termoenergetski generator (ТЭГ); 7 – noseća ramna konstrukcija.

Njegov reaktor je sadržavao 31,5 kg urana-235. Reaktor je davao oko 3 W struje koja je korišćena za napajanje bočnog radarskog uređaja „Легенда” na satelitu.

Dalja testiranja su prekinuta zbog „ključanja“ rashladne tečnosti u primarnom sistemu reaktora izazvanog nedovoljnim pritiskom u kompenzacionim sudovima. Zato su izvršena izvesna poboljšavanja i kalibraže, a uvedene su i inovativne tehnike. Pozitivni rezultati testova doveli su do toga da je 3. oktobra 1970. godine konačno lansiran nuklearni energetski uređaj „Бук“ (serijski broj №31) u sastavu prototipskog pomorskog radarskog satelika „Космос-367“[9] – bio je to prvi sovjetski satelit sa nuklearnim energetskim uređajem. Njegov nuklearni reaktor je nosio 31,1 kg visokoobogaćenog (90%) urana-235.

Satelit je proveo u orbiti samo 110 minuta, nakon čega je izdata hitna komanda za odlazak na tzv. pogrebnu orbitu[10]. To je usledilo zbog toga što su senzori pokazivali opasan porast temperature u reaktoru, što je govorilo o topljenju aktivne zone. Zato su naredni energetski uređaji usavršeni, a takođe je smanjena i snaga „pregrevanja“ sa 150% na 115% od normalne.

Posle 9 uspešnih lansiranja kosmičkih nuklearnih uređaja, od 1975. godine БЭС-5 „Бук“ je uvršten u vojni arsenal SSSR-a. Sve do prestanka aktivne eksploatacije 1989. u kosmos je poslat 31 ovakav uređaj[11].

Za sve vreme lansiranja satelita sa nuklearnim pogonom, u SSSR-u su se dogodile samo tri velike havarije nuklearnih energetskih uređaja.

Najozbiljnija incident dogodio se sa „Koсмосом-954“, lansiranim 18. septembra 1977. godine sa ciljem da prati američke nuklearne podmornice. Zbog dehermetizacije servisnog modula u kome se nalazio energetski uređaj № 58 i prestanka rada senzora pritiska u instalacijama, došlo je do otkaza sistema za upravljanje, te gubitka orijentacije letilice. Komanda za uvođenje satelita u pogrebnu orbitu nije realizovana, pa je usledio nekontrolisani pad. Krajem januara 1978. satelit je ušao u gušće slojeve atmosfere, što je dovelo do njegovog raspadanja. Ostaci su pali na pusto tlo severozapade Kanade, izazvavši radioaktivno zagađenje oko 120.000 km² teritorije. Izbio je veliki međunarodni skandal, te je SSSR bio prinuđen da na izvesno vreme prekine lansiranje kosmičkih nuklearnih uređaja. Tada su Sovjeti prvi put priznali da lansiraju satelite sa „malim nuklearnim reaktorina“[12].

Ruski špijunski satelit „Космос 954“ (RORSAT) sa nuklearnim reaktorom. Desno je prvi od 12 velikih delova koji su pronađeni u Kanadi. Svi sem 2 su bili radioaktivni, a jedan je ispuštao 100 puta više zračenja nego što čovek sme da primi za godinu dana.

Drugi slučaj se zbio 1983. godine, kada je zbog otkaza sistema na vojnom satelitu iz serije „УС-А“, „Koсмосу-1402“, lansiranom 30. avgusta 1982. godine, došlo do nekontrolisanog ulaska u atmosferu[13]. Pošto nije uspeo da izbaci reaktor na višu orbitu, aktiviran je sigurnosni sistem koji je razbio satelit na 3 manja dela: radarska antena je 30. decembra izgorela u atmosferi, sâm satelit je 23. januara 1983. pao u Indijski okean, a aktivno jezgro reaktora je 7. februara izgorelo i bilo rasejano po atmosferi iznad Uskršnjeg ostrva[14]. Posle ove havarije, Rusi su na pola godine stopirali lansiranje satelita iz serije „УС-А“.

I konačno, u aprilu 1988. došlo je do gubitka radio-kontakta sa „Космосom-1900“, lansiranim iz Bajkonura 12. decembra 1987. godine. To je sprečilo slanje komande o odbacivanju kritičnog nuklearnog uređaja „Бук“, te je do sredine septembra 1987. satelit postepeno kočio približavajući se Zemlji. U praćenje njegovog položaja bile su uključene i brojne američke službe za kontrolu leta. A onda, samo nekoliko dana pred ulazak u guste slojeve atmosfere, 30. septembra se iznenada uključio rezervni sistem poslavši energetski sistem na bezbednu stacionarnu orbitu visine 720 km. Ostatak satelita pao je u Indijski okean.

Kosmički energetski uređaj u fazi razrade. Na desnom kraju nedostaje reaktor. Probne verzije su ispitane u orbiti na satelitima tipa „Космос“.

Ipak, tokom svih ovih događaja, Rusi su naporno radili na otklanjanju potencijalnih neuralgičnih tački i modernizaciji kako nuklearnih uređaja tako i samih špijunskih satelita koji su ih nosili. Stvoreni su uređaji koji su mogli da rade do 6 meseci i daju el. snagu od 2.400 W na kraju resursa. Napravljena su 3 takva primerka. Prvo lansiranje modernizovane varijante nuklearnog energetskog uređaja izvedeno je 14. marta 1988. godine u sklopu satelita „Космос-1932“. Uprkos činjenici da je uređaj dobro odradio svoj posao, svi dalji radovi na nuklearnom uređaju tipa „БЭС-5“ su obustavljeni. Poslednji uzorak je 1993. vraćen u zavode „Krasnaje Zvezde“ i tamo recikliran.

Odluka o prekidu lansiranja satelita sa nuklearnim izvorom energije doneta je zbog relativno niskih tehničkih performansi uređaja, ali i zbog sve intenzivnijih zahteva SAD i međunarodne zajednice da se prekine sa nuklearnim zagađivanjem kosmosa.

Nuklearni energetski uređaji sa termoemisionim pretvaračima

Nuklearni energetski uređaj „Топаз“

Paralelno sa radovima na uređajima sa termoenergetskim generatorima, Rusi su razvijali i čitav spektar uređaja sa termoemisionim pretvaračima snage od 10 do 500 i više kW, budući da su oni imali mnogo bolje tehničke karakteristike, i mogli da ispunjavaju širok spektar zadataka, počev od stalnih orbitnih stanica, pa do postaja na Mesecu ili ekspedicija na Mars.

Radove su izvodile dve kooperativne naučne organizacije koje su užurbano radile na dva različita tipa uređaja:

-         sa osnovnim elementima nuklearnog energetskog uređaja – elektrogenerišućim kanalima (ЭГК);

-         sa generatorom pare radnog tela (cezijuma). Kod nuklearnog energetskog uređaja „Топаз-2“ primenjen je generator fitiljskog (kapilarnog) tipa, koji obezbeđuje konstantan protok nezavisno od temperature rashladne tečnosti.

„Топаз-2“ je bio namenjen korišćenju samo na orbitama bezbednim po zračenje, te nije posedovao sistem za uništavanje. Na njemu nije postojala mogućnost ugradnje rezervnog sistema zaštite od opasnog zračenja.

U uređaju „Топаз-1“ (ТЭУ-5 „Тополь“) sa termoemisionim reaktorom-pretvaračem i rashladnom tečnošću od tečnog metala (Na-K) bilo je 79 ЭГК, od kojih je svaki bio povezan sa 5 termoemisionih elektro-generišućih elemenata (ЭГЭ) (višeelementni ЭГК), а u uređaju „Топаз-2“ („Енисей“), bilo je 37 ЭГК od kojih je svaki imao samo po jedan ЭГЭ (monoelementni ЭГК).

Radovi na nuklearnim energetskim uređajima „Топаз-1“ započeti su u skladu sa odlukom Centralnog komiteta partije i Saveza ministara SSSR-a od 3.7.1962. godine za potrebe vojnih radarskih satelita. Uređaje su proizvodile različite kooperativne organizacije: glavni proizvođač – preduzeće „Krasnaja Zvezda“ iz Moskve, naučni supervizor – „Fizičko-energetski institut“[15] („ФЭИ“) iz Obninska, koizvršilac – naučno-istraživačko preduzeće „Luč“[16] iz Podoljska, i dr.

„ТОПАЗ“ је zapravo ruski аkronim (skraćenica) od „termoemisioni eksperiment sa pretvaračem u aktivnoj zoni“. Radilo se o sovjetskim lakim nuklearnim reaktorima za korišćenje u svemiru. Bili su hlađeni tečnim metalom, koristili su moderator koji je sadržavao vodovik, i obogaćeni uran kao gorivo. Za dobijanje el. struje koristili su termoemisione pretvarače. Nakon 1959. i posete njihovih fizičara laboratorijama u Los Alamosu, Rusi su počeli radove na svom jednoćelijskom reaktoru „Топаз-2“. Prvi reaktor „Топаз“ je radio 1.300 sati, nakon čega je isključen radi izučavanja. Mogao je da iz 11,5 kg goriva 3-5 godina izvlači 5-6,6 kW struje. Reaktor je imao težinu od oko 320 kg. U reaktoru „Топаз-2“, 37 šipki goriva (96% obogaćenog UO2) je bilo uronjeno u cilindrični moderator (cirkonijum-hidrid, ZnH), koji je opet bio okružen berilijumskim neutronskim reflektorom. Rashladna tečnost od tečnog metala (NaK) okruživala je svaku šipku goriva. Reaktor je imao oko 1.061 kg. 6 reaktora „Топаз-2“ prodato je pre 20 godina u SAD, a jedan je 1995. čak leteo u kosmos kao izvor za električne trastere.

Radovi na uređajima „Топаз-2“ započeti su takođe u skladu sa odlukom Centralnog komiteta partije i Saveza ministara od 21.7.1967. godine za potrebe satelitske sisteme televizijskog prenosa. Glavni proizvođač – „Энерговак ЦКБМ“ iz Lenjingrada (danas Sankt-Peterburga), naučni supervizor – Kurčatovljev institut za atomsku energiju iz Moskve, koizvršilac – preduzeće „Luč“, i dr.

Tokom razvoja nuklearnog uređaja „Tопаз-1“ vršeni su bezbrojni složeni eksperimenti pojedinih jedinica, agregata, termalnih prototipova termoemisionih reaktora-pretvarača, itd. U državnom centru za fiziku „ФЭИ“ ispitano je preko 50 elektrogenerišućih kanala (ЭГК), i tom prilikom je dokazana njihova pouzdanost u zadatim okvirima. U reaktorskim testiranjima, najbolje se pokazao ЭГК standardne konstrukcije („КЭТ-49“) koji je radio preko 5.000 sati (7 meseci) pri srednjoj snazi od 2,5 W/cm² i maksimalnoj temperaturi katoda od 1.600° C. Prvo potpuno zemaljsko testiranje nuklearnog prototipa uređaja „Топаз-1“ izvedeno je u obninskom institutu „ФЭИ“ tokom 1970. godine – tada je dostignuta električna snaga od 10 kW. Testovi su trajali 150 sati, nakon čega su prekinuti zbog neplaniranog curenja u mreži rashladne tečnosti. Ukupno je bilo ispitano 4 nuklearna prototipa energetskog uređaja „Топаз-1“.

Uspešni rezultati testiranja doveli su do toga da je Komisija Prezidijuma SSSR-a izdala naredbu da se 1979/80. konačno započne sprovođenje letno-konstruktorskih testirana termoemisionih nuklearnih uređaja „Топаз-1“ u sastavu eksperimentalnih kosmičkih letilica tipa „Плазма“, baziranih na već postojećim „УС-А“. Međutim, zbog nedostatka rezervnog bezbednosnog sistema u sastavu nuklearnog uređaja, javila se potreba za modifikovanim letilicama – „Плазма-А“[17], i po naredbi Partije i Saveza ministara SSSR-a od maja 1981. godine, sprovođenjem testova na visokim, po zračenje bezbednim orbitama.

Specifičnost uređaja „Тополь-1“ (drugi naziv za „Топаз“) bila je povezivanje reaktora sa termoemisionim (termojonskim) pretvaračem toplotne energije u električnu. Ovaj pretvarač je bio sličan tzv. elektronskoj „katodnoj) cevi: Katoda od molibdena obložena volframom, zagrejana do visoke temperature, emitovala je elektrone, koji su putujući kroz  cezijumske jone, padali na anodu, generišući struju. Reaktor (gorivo – 90% obogaćeni uran-dioksid, rashladna tečnost – kalijum-natrijumova smeša) imao je toplotnu snagu 150 kW i električnu 5 kW, pri čemu je količina urana-235 u reaktoru bila smanjena na 11,5 kg u odnosu na 31 kg kod uređaja „Бук“. Ukupna težina uređaja je bila oko 980 kg.

Na osnovu Rešenja državne komisije od februara 1986. godine odlučeno je da se pristupi letnim testiranjima satelita „Плазма-А“ sa nuklearnim uređajima „Топаз-1“. Za letna testiranja su bila već napravljena dva uređaja (№22 i №23), sa različitim katodama: №22 je imao katodu od molibdena, a №23 od molibdena presvučenog volframom.

Uređaj №22 je bio izbačen na radijaciono bezbednu stacionarnu orbitu visine oko 800 km 2.2.1987. godine, i radio je u sastavu letilice „Плазма-А“ („Космос-1818“) čitava 142 dana. Time je dokazano da je ovaj uređaj u stanju da radi više od 3 meseca[18].

Nuklearni uređaj №23 lansiran je u visoku orbitu 10.7.1987. godine, i na letilici „Плазма-А“ („Космос-1867“) radio je 342 dana. Reaktor je pokazao da uspešno može da radi pola godine. U drugoj polovini, snaga reaktora se postepeno smanjivala usled degradacionih procesa u reaktoru-pretvaraču, ali je i to bilo dovoljno za napajanje svih satelitskih sistema (na kraju je davao 2,73 kW).

U oba navedena slučaja, prekid rada reaktora bio je, u osnovi, vezan za trošenje zaliha radnog tela (cezijuma) i oslobađanje vodonika iz neutronskog usporivača, tj. moderatora[19], čija uloga je da bude katalizator degradacionih procesa u reaktoru-pretvaraču. Razlika u snazi navedena dva reaktora bila je oko 1,05-1,07 puta u korist №23 sa volframom.

Kosmičke letilice „УС-А“ („Космос-367“ i „Космос-1818“) sa nuklearnim -termoelektričnim uređajima „Бук“ i „Топаз“. Uređaje sa reaktorima napravili su stručnjaci iz „Krasnaje Zvezde“.

 

Kosmički nuklearni izvor energije ТЭУ-5 „Тополь“ („Топаз-1“).

1 – blok sistema za stvaranje cezijumove pare i njenog vođenja do uređaja za regulisanje; 2 – termoemisioni reaktor-pretvarač (ТРП); 3 – cevovod tečnosti za hlađenje od tečnog metala; 4 – zaštita od zračenja; 5 – konpenzacioni sud tečnog metala; 6 – radijator; 7 –noseća konstrukcija.

Paralelno sa radovima na uređaju na nuklearni pogon „Топаз-1“, sprovođeni su radovi i na uređaju „Топаз-2“ (drugi naziv „Енисей“). Tokom tih radova bilo je proizvedeno i testirano 18 uređaja, od čega je 7 prošlo nuklearna ispitivanja. Ali testiranja prvih prototipova pokazala su da odabrana konstrukcija elektrogenerišućih kanala (ЭГК) ipak ne zadovoljava zadate resursne potrebe. Radi uklanjanja tih nekostataka naučno-istraživački institut „Луч“ je projektovao i ispitao usavršene elektrogenerišuće kanale, koji su na kraju omogućavali dostizanje resursa do 22.500 sati (2 godine i 8 meseci).

Pošto je cilj bio da se dobije nuklearni uređaj koji će omogućavati kontinuirani rad makar godinu ipo dana, napravljena je usavršena konstrukcija reaktora sa povećanim brojem elektrogenerišućih kanala u aktivnom jezgru (sa 31 na 37). Bilo je napravljeno 10 primeraka takvih uređaja, od kojih je „Я-24“ postigao rekord bez presedana i u zemlji i inustranstvu u dužini rada jednog kosmičkog nuklearnog uređaja – 12.500 sati (17,3 meseca).

Kada je prestala potreba za uslugama kosmičkih letilica za koje su i pravljeni nuklearni energetski uređaji „Топаз-2“, prekinuti su i svi zemaljski radovi na njima.

Rusko-američka saradnja na nuklearnom uređaju tipa „Топаз“

Novu fazu u aktivnostima ruskih nuklearnih organizacija predstavljala je rusko-američka saradnja u oblasti kosmičke nuklearne energetike.

Prvi zvanični materijal sa kratkim informacijama o energetskom uređaju „БЭС-5“ („Бук“) predati su američkoj strani nakon opisanog incidenta satelita „Koсмос-954“ iznad Kanade 1978. godine, a detaljnije informacije usledile su nakon incidenta sa satelitima „Koсмос-1402“ 1983. i „Космос-1900“ 1988. godine.

Veliko interesovanje među američkim ekspertima izazvali su izveštaji akademika N.N. Ponomareva-Stepnova i direktora „Krasnaje Zvezde“ G.M. Grjaznova o rezultatima testova nuklearnog uređaja „Топаз-1“ („Тополь“) pročitan na međunarodnom simpozijumu u Albukerku (SAD) 1989. godine. Već u aprilu 1989. u Kurčatovljevom atomskom institutu započeti su pregovori predstavnika američke kompanije „Space Power Inc.“ (SPI) i tima sovjetskih stručnjaka iz Kurčatovljevog instituta, „Krasnaje Zvezde“, istraživačkog instituta „Luč“, „Fizičko-energetskog instituta“ („ФЭИ“), i dr. Pregovaralo se o mogućnostima bilateralne saradnje u oblasti kosmičkih nuklearnih energetskih uređaja za komercijalnu primenu. U procesu pregovora razgovaralo se i o mogućnostima komercijalnog korišćenja takvih uređaja kao alternative solarnim elektranama.

Materijali poslati Amerikancima, zajedno sa uspešnim kosmičkim probama uređaja „Топаз-1“ u periodu 1977-1978, kao i poseta američkih stručnjaka ruskim institutima, uverili su Amerikance u neosporno vođstvo Rusa u ovoj oblasti. Zato su američke kompanije izrazile želju za naučnim i komercijalnim korišćenjem termoemisionih nuklearnih uređaja proizvedenih u Rusiji.

Tokom januara-marta 1991. godine na VIII simpozijumu SAD o kosmičkoj nuklearnoj energetici (Albukerk, Novi Meksiko) i na sovjetsko-američkom naučno-tehničkom simpozijumu i izložbi „Nauka-Kosmos-Konverzija“ pri Merilendskom univerzitetu prikazana je demonstraciona maketa nuklearnog uređaja „Топаз-2“ (bez nuklearnog goriva). To je izazvalo veliko interesovanje američkih stručnjaka i javnosti, visoko je ocenivši ne samo s tačke tehnološkog nivoa SSSR-a, već i zbog spremnosti SSSR-a da učestvuje u međunarodnoj saradnji u ovoj oblasti.

Glavni konstruktori uređaja „Топаз-2“ – ЦКБМ iz Lenjingrada, РНЦ „КИ“[20], НИИ НПО „Луч“ iz Podoljska zajedno sa ГМП „НП Энерготех“ iz Moskve sa ruske strane i kompanijom „International Scientific Products“ (ISP) sa američke strane osnovali su združenu rusko-američku kompaniju pod nazivom „Međunarodna energetska tehnologija“ (СП „ИНЕРТЕК“). U prvoj etapi svoje delatnosti predloženo je da se u SAD izvedu probna testiranja svih komponenti „Топазa-2“, ali bez nuklearnog goriva već uz pomoć zagrevanja električnom strujom. U maju 1991. Kabinet ministara SSSR-a dao je saglasnost za sprovođenje takvih radova, dok je sa američke strane stiglo specijalno odobrenje državne administracije SAD.

Za sprovođenje dogovorenih testiranja, Amerikancima su u periodu 1991-1992. godine poslata dva bloka „Топазa-2“ – „В-71“ (radni) i „Я-21У“ (rezervni), prethodno ispitana u Rusiji, kao i poligon za testiranje „Байкал“[21].

Prema ugovoru zaključenom sa ISP uz učešće stručnjaka grupe TSET (Termionic System Evaluation Test), prva etapa testiranja sprovedena je od strane zajedničkog preduzeća „INTERTEK“ u novembru 1992. Na poligonu „Байкал“, postavljenom u Albukerkiju, ispitan je uređaj „B-71“ u dva puna ciklusa tipa „kreni-radi-isključi“ sa ciljem da se potvrde zadati parametri. Sva testiranja su protekla veoma uspešno: potvrđena je njihova radna sposobnost, proverene su karakteristike, obučen je američki stručni personal itd. „Testiranja su pokazala da u normalnim uslovima uređaj ’Topaz-1’ sa karakteristikama ’B-71’ može da obezbedi električnu snagu od 4,5-6,0 kW pri temperaturi rashladne tečnosti na izlazu iz reaktora od 570° C“ (iz tadađnjeg izveštaja sa testiranja).

Cilj druge etape testiranja bilo je dobijanje eksperimentalnih informacija o „Tопазу-2“ kao objektu kontrole i izvoru električne energije prilikom testiranja sa električnim zagrevanjem (bez nuklearnog goriva – prim.prev.) i u vakuumskoj komori, kao i obučavanje američkih naučnika. Testove je sprovodila pomenuta grupa TSET uz pomoć ruskih tehničara i američkih i ruskih naučnika.

Nuklearni energetski uređaj „Топаз-2“ sa lakim i kompaktnim reaktorom koji je pokretao ruske špijunske i druge satelite. Топаз-2“ je koristio efikasan visokotemperaturni proces nazivan termoemisionio pretvaranje da bi iz toka elektrona dobio električnu struju. Tim poslom prvi se bavio još polovinom prošlog veka ruski akademik A.I. Lejpuski.

Nakon uspeha prve faze, predloženo je da američka strana izvrši pripreme za demonstracioni let energetskog uređaja „Tопаз-2“ zajedno sa modulom prilagođenim različitim tipovima američkih kosmičkih elektroreaktivnih (jonskih) motora, te je sa ruskim preduzećima potpisan ugovor o proizvodnji kosmičkih nuklearnih termoemisionih uređaja povećane (do 40 kW) električne snage. Funkcionisanje uređaja je moralo da se obezbedi na visokim orbitama, što bi pružalo potpunu bezbednosnu garanciju od zrađenja. Za finansiranje svih radova bila je zadužena američka strana, koja je sredstva obezbedila iz vladinih izvora.

Za kosmičko testiranje „Tопазa-2“ u sastavu američkih satelita, inženjeri su 1994-1995. godine u Americi sastavili 4 eksperimentalna „Tопазa“ (uzorci „Э-43“ i „Э-44“ – za letna testiranja, i „Э-40“ i „Э-41“ za izvođenje spajanja u kosmosu sa satelitima). Pored toga, za testiranja na zemlji planirana su i dva u SAD prehodno već montirana nuklearna eksperimentalna uređaja „Tопаз-2“. Planirano je da svi preostali uređaji (sem onih koji su otišli u svemir) budu vraćeni Rusima bez izuzetka, a oni su garantovali da ih neće upotrebiti u vojne svrhe[22].

Termoemisioni kosmički nuklearni uređaj „Топаз 100/40“ („Топаз-3“) Snažni ruski dvorežimski nuklearni energetski uređaj, planiran za snabdevanje el. energijom geostacionarne satelitske sisteme veze „Космическая звезда“. U režimu od 100 kW, uređaj je trebalo da omogući napajanje elektroraketnih (plazmenih) motora planiranih za prelazak sa radijaciono bezbedne orbite (preko 800 km) na geostacionarnu, a u režimu do 40 kW – napajanje instrumenata u trajanju od 7 godina. Prilikom lansiranja, nuklearni uređaj je trebalo da se nalazi u kontejneru na vrhu rakete-nosača prečnika 3,9 m i dužine 4,54 m. U orbiti, u radnom položaju (reaktor maksimalno udaljen od instrumenata), uređaj bi imao dužinu 18,0 m i prečnik 4,0 m. Uređaj je sadržavao termoemisioni reaktor-pretvarač, litijumsku zaštitu od zračenja i sistem za odvod neiskorišćene toplote iz reaktora uz pomoć tečnog metala (kalijum+natrijum).

Iako su ekonomski problemi obe strane prekinuli 1996. realizaciju zacrtanih planova, postignuti rezultati su pokazali principijelnu mogućnost da nuklearni energetski uređaji tipa „Топаз-1“ i „Топаз-2“ proizvode u kosmosu 10-100 i više kilovata energije, čime su udarene osnove za projektovanje čitavog niza reaktora snage 10-15, 25, 50 i 100-150 kW.

Projekti kosmičkih nuklearnih energetskih uređaja

Tokom izrade nuklearnih uređaja „БЭС“ („Бук“) i „Топаз“, u Rusiji su na njihovim temeljima pripremani projekti za čitav niz uređaja poboljšanih performansi.

U skladu sa odlukom najviših državnih organa, projektovanje modifikovanog reaktora „Tопаз-1“ („Тополь“) započeto je u zavodima „Krasnaje Zvezde“ 21. avgusta 1974. godine. Taj reaktor je trebalo da predstavlja isforsiranu varijaniru već postojećeg „Tопазa-1“. Povećanje snage je postignuto uvođenjem dopunskog elektrogenerišućeg kanala (ЭГК), primenom elektromagnetne pumpe umesto kondukcione, i uvođenjem zaštitnih elektroda u kanale. Uređaj se razlikovao od „Tопазa-1“ po udvostručenim sigurnosnim sistemima, radijatorima na cevima za zagrevanje, zatvorenim sistemom cezijuma [radno telo u generatoru, prim. prev.] sa mogućnošću njegovog dopunjavanja, i optimizovanom šemom električne zamene.

Na osnovama reaktora „Ромашка“, tokom 1976. godine kompanija „Энерговак-ЦКБМ“ je pripremila tehnički predlog za termoelektrični uređaj „Заря-1“ planiran za satelite za optičko-elektronsku špijunažu. „Заря-1“ se razlikovala po nivou električne snage (5,8 kW prema 2,9 kW) i po povećanom resursu (4.320 sati protiv 1.100 sati).

Tehnološki napredak dvorežimskih termoemisionih pretvarača i generatora za reaktore (ТЭП i ТЭГ) omogućio je da se 1987. napravi idejni projekat za nuklearni uređaj „Заря-2“ električne snage 24 kW i resursa 10.000 sati, koji je trebalo da napaja uređaje naprednih vojnih satelita. Uključivanje termoelektričnih generatora u sistem hlađenja sa tečnim metalom kod „Tопазa-1“ rešio je problem brzog (10 minuta nakon slanja komande) snabdevanja strujom instrumente satelita, u odnosu na vreme ulaska uređaja „Tопаз-1“ u režim nominalne električne snage (60 minuta). Takvo rešenje je omogućavalo smanjivanje kapaciteta akumulatorskih baterija, što je i bio jedan od glavnih ciljeva u vreme stvaranja „Топазa-1“.

Dvorežimski nuklearni energetski uređaj „Топаз 100/40“ („Топаз-3“) u radnom položaju.

Električna snaga – 40 kW; el. snaga u forsiranom režimu – 100 kW; toplotna snaga – 1.096 kW; resurs (nakon 1 godine rada pri režimu od 100 kW) – 7 godina; težina uređaja – 4.400 kg; količina urana-235 – 45 kg.

1978. godine, javno preduzeće „Krasnaja Zvezda“ je razvilo tehnički predlog nove varijante nuklearnоg pokretačkog uređaja „Заря-3“ električne snage 24,4 kW[23] sa resursom 1,15 godina. Namera je bila, između ostalog, da se stvori alternativa u stvaranju impulsa potiska radi korigovanja orbite optičko-elektronskih špijunskih satelita i električnog napajanja specijalne opreme.

Radovi na uređajima „Топаз“ i „Заря“ prekinuti su uglavnom zbog njihove nepovezanosti sa nekom konkretnom kosmičkom letilicom.

U periodu 1981-1986. u Rusiji se razvilo široko polje projektno-konstruktorskih i eksperimentalnih radova, koje je ukazivalo na principijelnu mogućnost povećavanja resursa nuklearnih energetskih uređaja do 3-5 godina i sa električnom snagom do 600 kW.

Radovi na nuklearnim energetskim uređajima tipa „Акация“ i nuklearnog elektroraketnog motora „Геркулес“

Osnovni cilj napretka bio je usmeravanje radova i stvaranje naučno-tehničke osnove na eksperimentalno-konstruktorski razvoj nuklearnih elektroreaktivnih motora[24] (ЯЭРД), kao posebne klase pogona za međuplanetna putovanja, i nuklearno-energetskih uređaja zatvorenog tipa, kao novog snažnog i dugotrajnog izvora energije za motore i instrumente, obezbeđujući rešavanje naučnih, ekonoskih i odbrambenih zadataka u kosmosu.

Radi odabira prave šeme i parametara kosmičkog nuklearnog uređaja za snabdevanje energijom, izvršena su ispitivanja različitih načina konverzije toplotne energije reaktora u električnu: paroturbinski, gasnoturbinski, i neposredna konverzija toplotne energije fisije urana u električnu putem termoemisionih reaktora-pretvarača.

Kao najerspektivniji pokazali su se uređaji sa termoemisionim reaktorima-pretvaračima (ТРП), jer su se njihovi toplotni i električni mehanizmi pokazali kao izuzetno prosti – bili su bez pokretnih delova, relativno lako su se pokretali i zaustavljali, imali su višu temperaturu odvođene toplote u odnosu na druge slične uređaje, te zato i kompaktnije radijatore. Zato je konačno, kao izvor električne struje za jonske motore bio predložen tip nuklearnog uređaja sa termoemisionim pretvaračem.

Plazmeni motori su tip jonskih motora gde se plazma koristi u nekim ili svim delovima stvaranja potiska. Mada su mnogo manje snage od klasičnih raketnih motora, oni mogu da rade znatno duže i efikasnije, te se koriste za međuplanetne letove. Ima mnogo tipova plazmenih motora. Danas je najrasprostranjeniji – u vidu motora za ordžavanje geostacionarnih satelita u orbiti – stacionarni plazmeni motor, čiju ideju je dao ruski naučnik Aleksej .I. Morozov (motor “Эол-1“) tokom šezdesetih godina, kada su 1963-65. pravljeni planovi za let na Mars. Plazmeni motori ne služe za došenje tereta u orbitu, jer on efikasno radi jedino u vakuumu. Ne treba ih mešati sa jonskim motorima. Danas mnoge agencije osmišljavaju sopstvene motore na plazmu, kao što su ESA, Iranska kosmička agencija i Australijski nacionalni univerzitet.

Projektno-balistička testiranja s početka šezdesetih godina pokazala su obećavajuće rezultate u primeni nuklearnih jonskih motora u međuplanetnim letovima, što je dovelo do sveobuhvatnih radova i istaživanja na tu temu. Državnom naredbom od juna 1960, u desetinama konstruktorskih bitoa, naučno-istraživačkih instituta i univerziteta u SSSR-u započeta su teorijska, eksperimentalna i izvođačka (uključujući i reaktorska) ispitivanja na stvaranju novih visokotemperaturnih konstruktivnih, elektrodnih i drugih materijala, eksperimentalnih objekata i centara za ispitivanje reaktora.

Prva (istraživačka) faza razvoja nuklearnih plazmenih motora zavržena je 1962. godine, istovremeno sa okončanjem idejnih projekata za lunarnu raketu-nosač „N-1“, u koje su ušli i „Materijali za izradu nuklearnih elektroreaktivnih motora za teške međuplanetne brodove“. Tokom 1965. objavljen je idejni projekat nuklearnoj jonskog motora „ЯЭРД-2200“ za kosmičke brodove za međuplanetne letove sa ljudskom posadom, koga je napravio otsek Koroljevljevog konstruktorskog biroa na čelu sa inžejerom Mihajlom Meljnikovim. Motor je bio dvodelni (sa dva nezavisna bloka sa nuklearnim uređajem za stvaranje energije i jonskim motorom električne snage od po 2.200 kW svaki) ukupnog potiska 8,3 kg; sa litijumom kao rashladnom tečnošću reaktora i radnim telom jonskog motora; specijalnom biološkom zaštitom od zračenja minimalne mase; a takođe i elektroplazmeni motor (ЭПД) koji bi mogao da u sopstvenom magnetnom polju ubrzava plazmu do specifičnog impulsa od 5.500 sekundi.

U periodu 1966-1970. završen je ambiciozni idejni projekat nuklearnog jonskog raketnog stepena u sastavu raketnog nosača „N-1M“ za letove na Mars[25], zajedno sa planovima za reaktor i elektroplazmeni motor (ЭПД). Pogonska jedinica je predstavljena u jednodelnom („ЯЭ-1“ i „ЯЭ-1М“) i trodelnom („ЯЭ-2“ i „ЯЭ-3“) dizajnu. Kod jednodelnog „ЯЭ-1“ planirana je el. snaga od 2.500-3.200 kW sa resursom 4.000-8.000 sati, dok je snaga „ЯЭ-1М“ trebala da bude do 5.000 kW. Ukupna snaga jonskih motra trebalo je da bude 6,2 odn. 9,5 kg. U trodelnom izvođenju (na osnovu tri termoemisiona reaktora-pretvarač) el. snaga bi bila 3 х 3.200 odn. 3 х 5.000 kW.

Zbornik svih radova po pitanju jonskih nuklearnih motora pregledala je i odobrila ekspertska komisija pod rukovodstvom akademika A.P. Aleksandrova i B.N. Petrova.

Odlukama vlade od maja 1971. i maja 1976. godine, glavni napori su bili usmereni ka razvoju kosmičkog pogonskog bloka sa nuklearnim uređajem sa termoemisionim reaktorom-pretvaračem, koji je dobio naziv „Akacija“ („Bagrem“). Fokus je bio bačen na tehničku realizaciju i tehnologiju, testiranje osnovnih sklopova i komponenti, prenosivost, kao i na osnovna pitanja praktične primene u pogonskog bloka u vojne, ekonomske i naučne svrhe. Kao rezultat tih ispitivanja, pojavio se termoemisioni nuklearni uređaj el. snage od 500-600 kW za snabdevanje energijom plazmeno-jonskih elektroreaktivnih motora tipa stacionarnog plazmenog (СПД) i motora sa anodnim slojem (ДАС)[26].

Stacionarni plazmeni motor TAL-WSF, uspešno se pokazao na američkom špijunskom satelitu „STEX“. Radilo se u stvari o ruskom motoru „Д-55“ tipa ДАС, koji je napravila kompanija „Фекел“ i Keldišov naučno-istraživački centar. Imao je snagu od 4 do 15 mN, trošio je 0,8-2,5 kW i spec. impuls 1.350-2.750 sec. Trošio je ksenon.

Do kraja sedamdesetih, potpuno je bila formirana koncepcija kosmičkih nuklearnih energetskih uređaja druge generacije, koji su u opticaju i danas. Ovaj koncept podrazumeva termoemisione pretvarače sa brzim neutronima, gde se u ulozi emitera javljaju legirani monokristali volframa; primenu visokotemperaturnog sistema hlađenja, kod koga se u svojstvu rashladnog tela koristi praktično neaktivni izotopski čist litijum-7; odbođenje neiskorišćene toplote termodinamičkog ciklusa preko radijatora, formiranog od niobijumskih cevi sa natrijumom kao radnim telom; korišćenje u izgradnji (uključujući energogenerišuće kanale i konstrukciju reaktora i sistema hlađenja) jedinstvenog vatrostalnog konstruktivnog materijala – niobijumsku leguru NbCU, što smanjuje gabarit i težinu uređaja; primenu modularne strukture nuklearnog energetskog uređaja, što omogućava veću elastičnost u razradi i proizvodnji, itd.

1978. započeti su projektni radovi na nuklearnom interorbitnom tegljaču, sa ГРАУ indeksom 17Ф11, u sastavu višekratnog kosmičkog sistema „Энергия“-„Буран“. Rezultati projektnih istraživanja ušli su u sastav tehničkog projekta orbitnog šatla „Буран“.

Tokom 1982. godine, u skladu sa Uredbom vlade od 5.2.1981, ruska kosmička kompanija РКК „Энергия“ je za Ministarstvo odbrane uradila tehnički predlog nuklearnog tegljača 17Ф11 („Геркулес“) korisne el. snage 550 kW, koga bi u LEO orbitu visine 200 km odneo ili orbitni šatl „Buran“ ili raketa-nosač „Proton“, a koji bi služio kao univerzalno elektro-transportno sredstvo za rešavanje određenih zadataka u orbiti. Energetski uređaj interorbitnog tegljača imao je el. snagu 550 kW, specifični impuls jonskog motora 3.000 sec, potisak 2,6 kg, resurs reaktora i motora 16.000 sati, ksenon u ulozi radnog tela i težinu (bez goriva) oko 15.700 kg. Razmatrane su dve varijante čitavog sistema: postavljanje kosmičke letilice na potrebnu orbitu uz snagu 500 kW, i rad u režimu smanjene snage od 50-150 kW u trajanju od 3-5 godina.

Koncepcije termoemisionog nuklearnod energetskog uređaja „Акация”.

Tehnička rešenja: - reaktor sa brzim neutronima sa ugrađenim termoemisionim pretvaračima toplotne enegrije u električnu; - niobijumska legura kao konstruktivni materijal za reaktor i energetski uređaj; - litijumski sistem hlađenja reaktora, koji smanjuje razmeru i masu reaktora, zaštitu od zračenja i radijatore; - kompleksna primena visokotemperaturne elektrotehnike.

Kosmički tegljač „Herkules“ je u svom sastavu imao nuklearne plazmene motore (ЭРДУ).

1 – nuklearni reaktor (dužina: 19 m); 2 – dopunska zaštita od zračenja; 3 – modul za spajanje; 4 – rezervoar sa radnim telom (ksenon pod pritiskom); 5 – noseća rešetka ; 6 – blok elektroraketnih motora (raspon: oko 30 m).

 

Do 1986. razrađen je tehnički predlog nuklearnog jonskog motora za pokretanje međurbitnog tegljača konkretne kosmičke namene – transportovanje korisnog tereta do 100 tona sa niske orbite oko Zemlje (LEO) na geostacionarnu orbitu. Teret je na LEO trebalo da iznese tadašnji raketni nosač „Energija“.

Tokom devedesetih godina, radovi na reaktorima i plazmenim motorima na nuklearni pogon odvijali su se u okvirima naučno-istraživačkih radova „Марс-ЯЭДБ[27]“ (naručilac – Ruska kosmička agencija) i „Звезда-паритет“ (naručilac – Ministarstvo za nuklearnu energiju Ruske federacije) sa ciljem utvrđivanja neposrednih zadataka u razvoju sistema, povećanja dužine funkcionisanja, kraćivanje rokova i vremena proizvodnje, itd.

Studije su pokazale moguće oblasti primene nuklearnih energetskih uređaja i jonskih motora, puteve izgradnje odgovarajućih kosmičkih letilica različitih namena, i razradu tehničkih predloga dvorežimskih nuklearnih energetskih uređaja snage 100 kW u transportnom režimu i 25 kW u režimu dugotrajnog elektro-snabdevanja letilica. Međutim, 1990. godine u Državnom institutu za fiziku (ФЭИ) preovladao je zaključak da treba revidirati osnovne karakteristike uređaja, i da će zbog vladajuće ekonomske situacije u zemlji maksimalne potrebe za energijom za buduće kosmičke letilice biti 20-40 kW, a da će sve transportne potrebe u orbiti oko Zemlje moći praktično da budu rešene jonskim motorima el. snage do 150 kW.

Zato je početkom devedesetih odabran novi model nuklearnog energetskog uređaja, i shodno tome i jonskih motora snage do 150 kW u transportnom, odn. 50 kW u dugoročnom režimu.

Na ovakav izbor uticala je i činjenica da su takvi uređaji mogli vrlo brzo da se proizvedu i testiraju u već postojećim postrojenjima kompanije „Energija“, državnog Instituta za fiziku i sl. bez velikih financijskih ulaganja (zamenom ili modernizacijom opreme), što bi omogućilo da se praktično odmah proizvedu svi delovi, moduli i sklopovi energetskog uređaja bez vezivanja za neku konkretnu kosmičku letilicu. Takođe se videla budućnost i u rešavanju zadataka dostavljanja na geostacionarnu orbitu teških špijunskih i komunikacionih satelita (u vidu univerzalnih kosmičkih platformi, УКП) i elektrosnabdevanja njihove opreme od 10 do 40 kW; komercijalnom i ekološkom kosmičkom odlaganju opasnog otpada atomske industrije; čišćenju kosmosa od antropogenog otpada[28]; obezbeđivanju bezbednog leta avionima[29]; dugotrajnom napajanju satelita za TV i druge prenose, lakšem transportu opreme na relaciji Zemlja-Mesec-Zemlja prilikom gradnje lunarne baze, izgradnje lunarnih i planetnih svemirskih stanica, kao i izgradnju sistema za rano upozoravanje od opasnosti od asteroida i kometa uz pomoć raspoređivanja grupe letilica na velikoj udaljenosti od Zemlje.

Osnovne karakteristike ERTA: Težina ERTA                                     12-14 t; Nuklear. elektr. motor (ЭРДУ): spec. impuls                       3.060-4.080; ukupna snaga                              0,55 kg; „suva“ težina motora               7-7,5 t; Reaktor (ЯЭУ): snaga u transport. režimu     150 kW; snaga u režimu dužeg elektrosnabdevanja           10-40 kW; resurs u trans. režimu            1,5 god. resurs u režimu dužeg elektrosnabdevanja                 10 god. težina                                          5,0-5,5 t;

1994. godine načinjen je tehnički predlog „Elektroraketne transportne letilice [ЕRТА] za rešavanje nacionalnih ekonomskih, naučnih i komercijalnih zadataka iz korišćenje domaćih i stranih raketa-nosača različitih tipova“. Projektne studije o izboru raketnih nosača, njihovih dodatnih stepeni i servisnih sistema novog tegljača, pokazali su da bi za jonske raketne motore jačine 150 kW najoptimalnija bila raketa „Энергия-М“[30]. Takođe se ispostavilo da bi za lansiranje mogle da budu iskorišćene i inostrane rakete „Titan“ i „Ariane-5“. Taj nova letilica, odn. tegljač, nazvan je ERTA (rus. ЭРТА – электроракетный транспортный аппарат), i trebalo je da kosmičkim modulima sa korisnim teretom, sem transporta na željenu orbitu, pruži i mnogobrojne servisne usluge, kao što je snabdevanje energijom, termoregulacija, orijentacija i stabilizacija, prenos podataka na Zemlju i tome slično.

Uporedo sa radovima na reaktoru snage 150 kW, u to vreme su dovršavani radovi na nuklearnom bloku električnih motora (ЯЭДБ) za ekspedicije sa ljudskom posadom na Mars. Bile su istraživani tipovi ekspedicija sa jednim, dva ili više prethodnih lansiranja teretne rakete „N-1M“ u orbitu oko Zemlje. Za Marsov ekspedicioni kompleks (MЭK) težine 150 tona, u slučaju samo jednog lansiranja, predviđan je termoemisioni reaktor električne snage 5-10 MW sa resursom do 1,5 godina, a u slučaju više lansiranja, kada se Marsov ekspedicioni kompleks sastavlja od više delova, snaga je 1-1,5 MW sa resursom do 3 godine.

U toku radova, koji su obavljani u periodu 1958-1995. po pitanju kosmičkih reaktora i jonskih motora na nuklearni pogon, rešeni su brojni visokotehnički problemi. U tom periodu, kada je konačno osvojena proizvodnja temperaturno visokootpornih konstrukcionih materijala (niobijumove legure NbCU) i proizvodnja širokog spektra polufabrikata od njega, pronađeni su novi provodnički, magnetni i elektroizolacioni materijali za rad na temperaturama od 1.000-1.200 K; obavljena su brojna ispitivanja termoemisionih elektrogenerišućih kanala (ЭГК) snage 15 W/cm; napravljen je sistem cirkulisanja litijuma (radne temperature do 1.300 K), serijska proizvodnja cevi za natrijumovsko hlađenje, itd.

Želim da naglasim da je na radovima na stvaranju i usavršavanju nuklearnih energetskih uređaja i jonskih motora učestvovali ljudi i organizacije diljem tadašnjeg Sovjetskog Saveza. Naprimer, termoemisioni reaktori-pretvarači su rađeni u Fizičko-energetskom institutu („ФЭИ“) iz Obninska; zaštita od zračenja i probni poligoni u kompaniji „Energija“; glavni reaktori u „Krasnajoj zvezdi“; simulacije rada i matematički modeli obavljani su u Kibernetskom centru; pumpe za litijum-niobijumske livove u latvijskom Institutu za fiziku u Rigi; termootporni materijali u Dnjepropetrovskom zavodu, a jonski motori u biroima „Fakel“, itd.

Nuklearni raketni motori.

Radovi na raketama sa nuklearnim motorima.

30. oktobra 1959. godine, po odluci najviših političkih vrhova zemlje, u Koroljevljevim konstruktorskim biroima ОКБ-1 iz Kalinjingrada pokrenut je jedan idejni projekat, koji je pokazao sposobnost gradnje rakete sa nuklearnim motorima (NRM).

Planirano je da se u razvoj NRM uključe konstruktorski biroi ОKБ-456 (rukovodilac V.P. Gluško) i ОКБ-670 (M.M. Bondarjuk). NRM je bio zapravo nuklearni reaktor u cilindričnom kućištu za zagrevanje radnog tela do 3.000 K, opremljenog sa četiri mlaznice. Za radno telo u NRM stručnjaci iz ОКБ-456 su predlagali amonijak, a oni iz ОКБ-670 smešu amonijaka i alkohola. Specifični impuls potiska NRM sa pomenutim radnim telima trebalo je da bude najmanje 430 sekundi pri potisku u vakuumu do 170 tona. ОКБ-1 je projektovao dvostepenu raketu „ЯХР-2“ (rus. „ядерно-химическая ракета“, odn. „nuklearno-hemijska raketa“) po ugledu na raketu R-7 „Semjorku“ (8K71), ali sa šest bočnih raketnih blokova prvog stepena[31], opremljenih motorima HK-9 (8Д517).

Prvi stepeni su imali ukupno 36 raketnih motora koje je projektovao slavni konstruktor N.D. Kuznjecov, dok je drugi stepen (središnji) bio opremljen sa NRM, koji se uključivao neposredno pred odvajanje bočnih raketnih blokova prvog stepena, imao potisak od 140-170 tona. Težina rakete na startu trebalo je da bude 850-880 t zajedno sa korisnim teretom, koji bi u orbiti iznosio 35-40 tona. Razmatrana je i varijanta „super-rakete“, sa poletnom težinom od 2.000 t i korisnim teretom od 150 tona.

Projekat raketnog nosača na bazi „R-7“, koja bi imala 6 blokova I stepena sa motorima na tečno gorivo, a kao II stepen – sredičnji blok sa nuklearnim raketnim motorom (NRM).

Ova raketa je bila zamišljena kao dvostruki „paket“ konusnih bočnih raketnih blokova, snabdevenih većim brojem (50 kom.) već pomenutih motora NK-9 potiska 52 tone svaki (jednostavno, na svetu tada nije bilo jačih motora). Drugi stepen je trebalo da podesuje četiri NRM ukupnog potiska od 850 tona – sa specifičnim impulsom potiska u vakuumu do 550 sekundi pri upotrebi efikasnijeg radnog tela i pri njegovom zagrevanju do 3.500 K. Upotreba tečnog vodonika kao radnog tela u to vreme još nije bila započeta. Dužina rakete sa korisnim teretom bila je 48 metra, a maksimalni prečnik 19 metara.

Radovi na nuklearnim raketnim motorima (NRM)

U SSSR-u je početkom šezdesetih godina usvojen koncept heterogenog reaktora[32] modularne konstrukcije. Ovaj tip ima nekoliko preimućstava u odnosu na homogeni tip[33] i dozvoljava da se reaktori i motori proizvode nezavisno, što je značajno smanjivalo vreme i troškove. Razvoj NRM je u Rusiji tekao u dva pravca. Prvi od njih se okrenuo ka izradi i ispitivanju osnovnih elemenata agregata – svežnjevi šipki goriva[34] (ТВС), usporivača (moderatora), reflektora[35], sistema kontrole, zaštite od zračenja, itd. Svrha je bilo pronalaženje idejnih rešenja i tehnologija, razvoj i testiranje osnovnih rešenja, koja bi mogla da se iskoriste u dizajniranju NRM različitih namena, tehničkih zahteva i karakteristika. Drugi pravac se koncentrisao oko kreiranja eksperimentalnih NRM najmanjih mogućih dimenzija, ali sa održavanjem svih parametara.

Glavni cilj oba smera napretka bio je da se pokaže mogućnost stvaranja NRM na osnovu savremenih materijala i tehnologija. Principijelno gledano, cilj je na kraju postignut.

Krajem šezdesetih godina, КБХА[36] je, zajedno sa НИКИЭТ[37], НИИ ТП[38] i dr. razradio projekat malog NRM ИРГИТ potiska 3,6 tone i toplotne snage 196 MW, i NRM potiska 40 tona i toplotne snage 2.200 MW. Prva serija obimnih eksperimenata za proučavanje karakteristika tvrdofaznih[39] reaktora NRM kod kojih je kao radno telo korišćen gasoviti vodonik sprovedeni su na eksperimentalnom reaktoru „ИВГ-1“, čim je 1975. završen prvi kompleks probnih poligona „Байкал-1“. U periodu 1978-1984. na tom kompleksu su izvršena termička ispitivanja 3 prototipa NRM – aparata ИРГИТ. Ukupno je bilo izvedeno 126 termička ispitivanja svežnjeva šipki goriva u reaktorima. Do 1980. godine sprovedeno je 247 ispitivanja „hladnog“ motora ИРГИТ-Х, kod koga je reaktor zamenjen izmenjivačem toplote.

Prikaz i konstruktivna šema nuklearnog raketnog motora (NRM) sa reaktorom ИРГИТ.

 

Eksperimentalna ispitivanja karakteristika nuklearnih motora tipa ИРГИТ potvrdila su ispravnost mnogih tehničkih rešenja. Međutim, otkriven je nedostatak u konstruktorskom i tehnološkom izvođenju, što je dovelo do prevremenog popuštanja hermetičnosti korpusa testiranih reaktora nuklearnih motora ИРГИТ.

U periodu 1965-80. Sovjeti su u voronješkim biroima „Himaavtomatike“ (КБХА) razvili nukleatni termalni raketni motor koji je kao gorivo koristio tečni vodonik. Nosio je oznaku РД-0410 (11Б91). Imao je heterogeni reaktor sa “toplim” neutronima, moderator od hidrida cirkonijuma, berilijumski reflektor istih, a kao gorivo – uran-235 (80%) i volfram. Reaktor je prošao značajan niz testova, ali nikada nije bio u potpunosti radno ispitan. Svi delovi unutar reaktora su bili potpuno spremni. Sam reaktor NRM je prvi put pušten u rad 1979. godine.

Krajem sedamdesetih, pomenuti kooperanti su započeli radove na različitim koncepcijama jonskih motora sa nuklearnim pogonom na osnovu postojećih naučno-tehničkih potencijala tvrdofaznih reaktora NRM hlađenih gasom.

Iako su glavni eksperimentalni radovi završeni u ranim osamdesetim godinama, proučavanje problema eksploatacije NRM, usavršavanje njihovih tehničkih karakteristika, konstrukcije i tehnologije ovih raketnih motora različite namene nastavljeno je u Rusiji i do današnjih dana u obimu koji dozvoljavaju današnje ekonomske snage Rusije.

Suštinski, istraivački kompleks u Semipalatinsku zauzima i danas jedinstvenu poziciju na svetu, kao mesto za sprovođenje eksperimenata i punog testiranja u okviru programa proizvodnje NRM.

Međutim, složenost ekonomskih i političkih odnosa Rusije i Kazahstana, u čijem vlasništvu se danas nalazi semipalatinovski poligon, i promene u dimenzijama potrebnih NRM, predstavljale su osnov za preorijentaciju danađnjih radova u toj oblasti ka izgradnji ruskog poligona i nastavak radova na osnovnim elementima nuklearnih jonskih motora sa NRM malih dimenzija.

Jedini operativni nuklearni motor ikada u SSSR-u – Kosbergov РД-0410 (11Б91). Tokom 1985. bio je spreman za prvi let u kosmos, ali nije postojao raketni stepen koji bi ga izneo u orbitu. Razlozi za to su višestruki: tzv. Perestrojka, smrt Vitalija M. Ijevljova, idejnog tvorca programa nuklearnih motora, novac, itd.

Tokom testiranja, uključivan je preko 230 puta, i ukupno radio 47,2 sata.

Motor je bio težak oko 2 tone. Toplotna snaga reaktora – 196 MW.

Visina – 3,50 m; prečnik – 1,60 m; potisak u vakuumu – 35,30 kN (3,95 t); spec. impuls u vakuumu – 910 sec (8.927 m/s); vreme rada – 1 sat; broj uključivanja – 10.

 

 

P.S.

Pre nego što sam objavio ovaj tekst poslao sam ga na čitanje prijatelju i kolegi u Australiji, Grujici Ivanoviću, velikom znalcu svetske a naročito ruske kosmonautike. Оn mi je rekao da je čitao najnovije vesti da Rusi planiraju da u nekoliko sledećih godina konačno naprave nuklearni raketni motor megavatne snage. Sam motor se pravi u Keljdišovom projektnom centru a projekat kosmičkog broda u RKK „Energija“. Grujica kaže da će projekat biti predstavljeni „Roskosmosu“ do kraja godine.