В то время, как американцы взялись сразу отрабатывать конструктивные решения на действующих реакторах, мы взяли за основу принцип максимальной поэлементной отработки узлов будущего двигателя на электротермических и плазмотронных стендах, то есть, ТВЭЛы, конструкция реактора и проточной части двигателя отрабатывались по отдельности, и даже в разных организациях.
Основными отличиями используемого у нас подхода является конструктивное объединение ТВЭЛов в тепловыделяющую сборку, гетерогенная конструкция реактора, в которой ядерное горючее конструктивно отделено от рабочего тела, и поэлементная отработка всех элементов конструкции.
30 июня 1958 года было подписано ещё одно Постановление, детально определившее этапы и сроки выполнения работ. Этим документом десятки научных, проектных конструкторских, строительных, монтажных организаций были подключены к нашей тематике в качестве смежников и соисполнителей, что позволило построить широкую научно-производственную кооперацию. Общее научное руководство возлагалось на академиков Келдыша, Курчатова и Королёва.
Согласно этому постановлению в ОКБ-1 под общим руководством товарища Королёва, в ОКБ-456 под руководством товарища Глушко, и в ОКБ-670 под руководством товарища Бондарюка были проведены проектно-конструкторские работы по определению облика ракеты с ЯРД.
— В рамках обсуждаемой темы ОКБ-1 были разработаны эскизные проекты одноступенчатой ракеты ЯР-1 и двухступенчатой ядерно-химической ракеты ЯХР-II, — с этого места общий доклад разработчиков продолжил уже Сергей Павлович Королёв. — В обоих проектах при расчётах использовался проектируемый ЯРД с тягой 1400 килоНьютонов. В проекте ЯР-1 он был единственным двигателем, ракета разрабатывалась как баллистическая. В проекте ЯХР-II боковые блоки первой ступени ракеты предполагалось оснащать обычными двигателями, а на центральном блоке установить ЯРД. При стартовой массе 850-880 тонн такая ракета по расчётам могла бы выводить на низкую орбиту 35-40 тонн.
— 35-40 тонн? Гм... — Первый секретарь что-то записал себе в блокнот.
— Эскизными проектами двигателей занимался коллектив ОКБ-456 товарища Глушко. Валентин Петрович, твоя очередь отдуваться, — усмехнулся Королёв.
Глушко спокойно принял 'эстафету отчётности':
— Коллективом ОКБ-456 были разработаны несколько эскизных проектов твердофазных ЯРД. Мы начали работу в 1956 году, и к 1959 году разработали проекты двигателей РД-401 с водным замедлителем нейтронов, и РД-402 с бериллиевым замедлителем. Оба двигателя рассчитывались на тягу в пустоте порядка 1680 килоньютонов — те самые 1400 килоньютонов на старте, которые только что упоминал Сергей Павлович. Рабочим телом предполагался жидкий аммиак, расчётный удельный импульс — 428 секунд.
По рекомендации ОКБ-1 в качестве рабочего тела в следующих проектах использовался жидкий водород, что позволило в эскизном проекте РД-404 1962 года уже заложить расчётную тягу 2000 килоньютонов при удельном импульсе 950 секунд. В настоящее время у нас разрабатывается эскизный проект двигателя РД-405, с тягой 400-500 килоньютонов, с реактором, использующим замедлитель из гидрида циркония и бериллиевый отражатель. Эти разработки ведутся по техническим заданиям от ОКБ-1, полученным в середине 1959 года.
— Но это пока только эскизные проекты, без какой-либо реальной проработки 'в железе'? — уточнил Косыгин.
— Пока да, поскольку с реактором у товарищей атомщиков ещё не всё получается, — подтвердил Глушко. — Однако, в ходе работы над этими проектами были исследованы и обоснованы многие специальные вопросы, например, использование гетерогенных реакторов с твёрдым замедлителем и отражателем, замкнутая по газовому тракту система привода турбонасосного агрегата, принцип рулевого управления путём качания двигателя в кардановом подвесе, используемый сейчас на Р-9 и 'Союзе-2.3' тоже был впервые исследован в ходе работы над РД-401 и РД-402, многосопловая конструкция двигателя, позволяющая значительно сократить его продольный габарит.
Однако, нам представляется более перспективным сосредоточить усилия на разработке газофазного реактора, позволяющего получить намного более высокие удельные характеристики, — Глушко закончил свою часть доклада.
— Вот по этому поводу я свои соображения выскажу попозже, — Первый секретарь сделал пометку в своём блокноте.
Услышав окончание доклада Глушко, Никита Сергеевич понял, что именно это решение бросить разработку твёрдофазного ЯРД в погоне за намного более высокими характеристиками газофазного стало одной из причин, по которым не осилили ни то, ни другое.
— Кто следующий? Михаил Макарович?
— ОКБ-670 тоже разработало несколько эскизных проектов ЯРД, с твердофазным реактором и аммиачно-спиртовой смесью в качестве рабочего тела, — коротко отчитался Михаил Макарович Бондарюк. — В настоящее время, по рекомендации ОКБ мы в наших проектах перешли с аммиака на водород, так как аммиак не позволяет получить достаточно высокий удельный импульс. На водороде УИ получается примерно вдвое выше.
— Проведённые совместно ОКБ-1 и НИИ-1 исследования показали, что наиболее перспективным направлением повышения эффективности тяжёлых носителей является создание двухступенчатых ракет с ЯРД на второй ступени, — продолжил вслед за ним академик Келдыш. — Применение ЯРД обеспечивает увеличение массы при выводе на околоземную орбиту в 2-2,5 раза, при доставке груза на Луну — на 70-95 процентов в сравнении с применением кислород-водородных ЖРД, и при подготовке пилотируемой экспедиции на Марс применение ЯРД в конструкции носителя и тяжёлого межпланетного корабля снижает количество груза, выводимого на орбиту, на 40-45 процентов.
Дальнейшая работа по теме тормозилась недостаточно развитой промышленной базой по производству жидкого водорода. В связи с этим товарищами Королёвым, Глушко, Александровым, Бондарюком, Кувшинниковым и мной 27 сентября 1960 года было направлено письмо присутствующим здесь товарищам Устинову, Рудневу и Неделину. В нашем письме мы указали на техническую реальность создания ракеты с ядерной двигательной установкой, использующей в качестве рабочего тела жидкий водород. Так же в письме мы указывали на необходимость создания в стране в кратчайшие сроки промышленного производства жидкого водорода. Тем более, что в результате последних нововведений в сельском хозяйстве газообразный водород и метан в больших количествах производится по всей стране (АИ частично). Мы также просили всемерно форсировать работы по расширению стендово-испытательной базы для отработки ядерных двигателей.
(Все вышеперечисленные события и мероприятия — полностью реальные и были проведены в указанные сроки. Дальнейшие события по тексту — также реальные, но с небольшим сдвигом по времени действия.)
— Первая очередь стендов и сооружений испытательного комплекса 'Байкал-1' на Семипалатинском полигоне была построена в период 1956-60 года, — Виталий Михайлович Иевлев снова подключился к докладу. — С 1959 года мы начали проводить опытные работы и испытания отдельных тепловыделяющих сборок на опытном реакторе ИГР. Начальные периоды работы ТВС были очень краткими — не более 30 секунд после выхода на рабочую температуру. Через сборку прокачивали водород, замеряли его параметры на выходе, после чего реактор останавливали, сборку выдерживали в хранилище для снижения радиоактивности, после чего разбирали дистанционным способом, с помощью управляемых человеком манипуляторов, и изучали.
К концу 1960 года был построен первый герметичный стенд с газгольдером, позволяющий увеличить время прогона и расход водорода. С увеличением длительности рабочего цикла начали выявляться самые различные проблемы — из области материаловедения, металлургии, теплотехники, прочности, вибрационной и радиационной стойкости применяемых материалов, а также — трудности с используемой испытательной и измерительной техникой. Проблемы эти постепенно решались и продолжают решаться. В настоящее время достигнута продолжительность работы единичной тепловыделяющей сборки около получаса, и есть конструктивные возможности нарастить длительность до 1 часа.
Параллельно под руководством товарища Лейпунского в Обнинском физико-энергетическом институте был разработан опытный реактор ИВГ, уже на 30 тепловыделяющих сборок. На полигоне для него параллельно уже строился комплекс всех необходимых зданий и сооружений, поэтому с 1962 года мы начали первые эксперименты на реакторе.
(В реальной истории разработка реактора ИВГ была начата с технического предложения, внесённого в 1965 г. Комплекс стендов и сооружений был построен к 1972 году, в этот период была задержка в разработке ЯРД. В АИ реактор ИВГ и его стендовый комплекс начали строить существенно раньше. Статья об испытательном комплексе 'Байкал-1' с фотографиями обоих реакторов https://informburo.kz/stati/v-kazahstane-razvivaetsya-nauka-o-yadernyh-reaktorah-kak-ona-ustroena.html)
На стенде была заранее предусмотрена система послепускового охлаждения реактора с принудительным охлаждением теплоносителя, что позволит сократить межпусковые периоды в 3-4 раза, в сравнении с режимом, в котором теплоноситель охлаждается естественным путём.
— Следующий этапы, для которого уже строятся стенды испытательного комплекса — испытания реакторов ЯРД на газообразном водороде, затем — испытания реакторов и двигателей на жидком водороде и строительство стенда для комплексных испытаний ракетно-космического блока с ЯРД.
(См. Схему в книге Ю.Г. Демянко 'Ядерные ракетные двигатели' стр. 201. Ссылка на книгу http://epizodyspace.ru/bibl/demyanko/yadernye/01.html Два последних стендовых комплекса не успели построить из-за развала СССР и снижения финансирования во второй половине 80-х. Схема площадки технической зоны комплекса 'Байкал-1', для понимания объёмов строительства, приведена в книге на стр. 207. В АИ данной тематике уделяется намного больше внимания, поэтому испытательные комплексы строятся со значительным упреждением, и все работы ведутся более интенсивно. В реальной истории исследования ЯРД периодически останавливались и возобновлялись после значительных перерывов.)
Реактор ИВГ — это ещё не лётный прототип реактора, а исследовательский, — пояснил академик Лейпунский. — В нём в качестве замедлителя вместо гидрида циркония используется вода, охлаждение активной зоны также производится водой.
— Понятно, — немного нетерпеливо кивнул Первый секретарь. — Каких результатов удалось добиться в ходе экспериментов на этом реакторе?
— Сейчас мы постепенно наращиваем длительность испытательного цикла, попутно решая возникающие проблемы с материалами ТВС, исследуя физические и теплотехнические характеристики ТВС и активной зоны в целом, — ответил Иевлев.
— Далеко не все они могут быть определены расчётным путём, — уточнил Лейпунский. — Одна из целей любых испытаний — подтверждение соответствия реальных характеристик расчётным.
— На сегодняшний день нам удалось довести длительность цикла работы ТВС в реакторе до 600 секунд, — доложил Иевлев.
— На минуточку, 600 секунд — это 10 минут, — подсказал Королёв. — Время выведения на опорную орбиту составляет около 9 минут, ну, немного больше 9 минут. Из них порядка 120 секунд — время работы первой ступени. То есть, реактор уже подтвердил возможность оснащения второй ступени ядерным ракетным двигателем.
(В процессе испытаний на реакторе ИВГ были достигнуты выдающиеся научно-технические результаты. В частности, была продемонстрирована работоспособность тепловыделяющих сборок в течение 4000 секунд при средней удельной мощности 25 кBт на кубический сантиметр и температуре водорода на выходе до 3100 градусов Кельвина. https://informburo.kz/stati/v-kazahstane-razvivaetsya-nauka-o-yadernyh-reaktorah-kak-ona-ustroena.html)
— Собственно, да, — согласился Иевлев. — Но надо понимать, что это — стенд, даже ещё не макетный образец двигателя.
— Макетный образец реактора ИР-100 для двигателя мы разрабатываем сейчас, — сообщил академик Лейпунский. — Пока Виталий Михайлович занимается планомерным наращиванием длительности рабочего режима на реакторе ИВГ, мы уже рассчитываем изготовить образец реактора для комплексных стендовых испытаний двигателя. Собственно, испытания сейчас ведутся на двух реакторах — ИГР и ИВГ, а по готовности к ним присоединится ИР-100. В процессе испытаний постоянно выявляются причины для внесения изменений в конструкцию, поэтому разработка ИР-100 не может идти быстрее, чем идёт сейчас.
— В частности, только при достаточно длительных испытаниях на реакторе ИВГ выяснилось, что керамические материалы ТВЭЛов растрескиваются в реакторе, хотя из-за конструктивных особенностей — ТВЭЛы надёжно скреплены внутри тепловыделяющей сборки — растрескивание не приводит к их разрушению и выбросу газовой струёй из реактора, — рассказал Иевлев. — На это, как я понял, и напоролись в своих экспериментах американцы, когда у них куски ТВЭЛов через сопло летели. Ну, и там и других нюансов множество, и все их придётся учитывать, поскольку от работоспособности реактора в полёте будет зависеть жизнь космонавтов.
— М-да... — Первый секретарь задумался. — Почти десять лет работаем над этой проблемой, а до лётного образца так и не добрались.
— Обязательно доберёмся, если партия и правительство не будут снижать уровень финансирования и продолжат поддерживать нас своим постоянным вниманием, — заверил академик Александров. — На самом деле, мы продвинулись намного быстрее и дальше, чем ожидали, именно благодаря параллельному строительству испытательной базы и параллельным исследованиям на нескольких реакторах, вместо последовательных. Если бы мы начинали строительство стендов и обслуживающих сооружений для следующего этапа только после окончания предыдущего, как происходит обычно, мы бы не начали испытания на реакторе ИВГ ранее 1975 года, так как объём работ, проводимых до настоящего времени на реакторе ИГР распланирован ещё на годы вперёд.
— Кстати, Никита Сергеич, проводимые товарищами Лейпунским и Иевлевым исследования на реакторе ИВГ и ИГР навели нас на одну идею, о которой мы хотели бы вам рассказать, если можно, — академик Арцимович встал и подошёл к стойке с плакатами.
— Рассказывайте, Лев Андреевич, конечно, — Хрущёв с интересом повернулся к нему, следом повернулись и остальные.
Академик снял плакат с изображением схемы ЯРД, под которым обнаружился ещё один, с рядом изображений двигателей, сходных между собой.
— Есть несколько типов двигателей, — начал Лев Андреевич:
1. Обычный ионный. Малая тяга, порядка нескольких миллиньютонов, очень высокий удельный импульс. Проблема с питанием — солнечных батарей недостаточно, особенно на удалении от Солнца
2. ЯЭРДУ — тот же ионник, только с питанием от реактора. Недостаток тот же — малая тяга.
3. Классический ТФ ЯРД — прокачка водорода через активную зону. Удельный импульс примерно вдвое выше, чем у водородного ЖРД, тяга как у хорошего ЖРД, но из-за вибрации, растрескивания и газовой эрозии ТВЭЛов есть ограничения по времени работы. Проблемы с ресурсом постепенно решаются, но недостаточно быстро.
