4. Плазменный двигатель с переменным удельным импульсом, над которым мы работаем, (то есть VASIMR) Он тоже похож на ионный по принципу действия — струя водорода ионизируется при помощи электрической дуги и затем разгоняется электромагнитным полем. Двигатель позволяет при питании от обычных источников, вроде солнечных батарей, получить тягу уже порядка 5 ньютонов, и работает долго — сотни часов. Для его питания мы также рассчитываем использовать реактор, но до полётных испытаний ещё нужно решить немало технических вопросов. Реактор для нас тоже делает Александр Ильич Лейпунский.
— И делали мы его на той же базе, что и для ОКБ-670 товарища Бондарюка, — вставил Лейпунский.
— И вот у нас возникла идея — а что, если дополнительно ионизировать струю водорода, выходящую из реактора ЯРД, и разгонять образующуюся плазму электромагнитным полем? — продолжал Арцимович. — Мы собрали опытную установку и испытали её на реакторе ИВГ. Ионизация струи водорода выполнялась при помощи добавления ионов лития, испаряемого в электрической дуге. Дуговой ионизатор расположен уже после выхода из реактора. Установку пришлось защищать от радиации, что несколько осложняет проект, но не является непреодолимой проблемой. Мы получили практически тот же, очень большой удельный импульс, что и на своём стенде с питанием от внешнего источника, но при этом тяга была заметно больше, за счёт большего расхода рабочего тела. В длительном полёте большая тяга не является обязательным условием, там как раз работает именно большой удельный импульс. Но для орбитального маневрирования и при разгоне туда и обратно большая тяга нам понадобится.
— Гм... Это у вас так просто на словах выходит, что даже я понял, — радостно улыбнулся Никита Сергеевич. — Нет, правда, всего-то добавили в струю водорода какую-то фигню для ионизации...
— Собственно, процесс ионизации струи используется и в МГД-генераторах, но там обычно щелочные металлы вводятся в массив твёрдого топлива, — пояснил Арцимович. — Эксперименты подобные мы проводили.
— Та-ак... Сергей Палыч, что скажете? — Хрущёв перевёл взгляд на Королёва.
— Предложение очень интересное, хотелось бы изучить результаты подробнее, — ответил Главный конструктор. — Я вижу тут сразу несколько преимуществ. Первое — мы можем менять тягу и удельный импульс двигателя в очень широких пределах. Второе — и ЯРД и ионно-плазменный двигатель работают на одном и том же недорогом водороде, без всяких недешёвых экзотических газов типа ксенона. Третье — один реактор на оба варианта двигателя — большой и малой тяги — это хорошая такая экономия массы и расщепляющихся материалов. Заодно решается проблема — куда девать отработавший на второй ступени реактор. Он просто улетает вместе с кораблём, а по возвращении двигательный блок можно дозаправить, использовать повторно, или, после выработки ресурса, направить на гелиоцентрическую орбиту для захоронения. В общем, предварительно мне нравится, хотелось бы ознакомиться подробнее.
— Всю информацию мы вам предоставим, — ответил Арцимович.
— А реактор сильно усложняется? — спросил Косыгин.
— Определённые усложнения, конечно, будут, — признал Лейпунский. — Прежде всего, реактор будет иметь три контура в активной зоне. Внешний, постоянно продуваемый углекислым газом, используется для энергоснабжения. Чтобы увеличить количество вырабатываемого электричества, помимо термоэлектрических преобразователей, придётся ставить турбогенераторы, вращаемые углекислым газом. Внутренний контур будет в режиме ЯРД проточным, в нём происходит разогрев водорода. При переводе в ионно-плазменный режим внутренний контур переключается на замкнутую циркуляцию и вместо водорода в него подаётся углекислый газ. Водород в этом режиме идёт в меньшем количестве только через центральный канал. Тяга уменьшается, зато многократно увеличивается удельный импульс за счёт электромагнитного разгона.
Углекислый газ после турбины проходит через внутренний теплообменник, где разогревает жидкий водород для его газификации, а затем дополнительно сбрасывает тепло через внешние теплообменники на корпусе, и возвращается в реактор.
В режиме ЯРД двигатель будет работать лишь малую часть своего жизненного цикла. Основной режим — малорасходный ионно-плазменный. Мы уже начали конструктивные проработки такого реактора, но над ним надо ещё поработать. Это будет даже посложнее, чем обычный ЯРД.
— Делайте! — тут же решил Первый секретарь. — Но и обычный ЯРД, этот, 'твёрдый', извините, я по-простому буду называть — 'твёрдый' и 'газовый' — с вас не снимается.
В связи с этим хочу напомнить товарищу Глушко: работу по 'твёрдому' ЯРД партия и правительство считают нужным продолжать. Для работы над 'газовым' ядерным двигателем считаю необходимым выделить отдельную команду, и пусть они эту тему ведут. А от вас, товарищи, народному хозяйству нужен летающий, работающий 'твёрдый' ядерный двигатель, — строго заявил Хрущёв. — Давайте начатую работу сначала доведём до конкретных результатов, а потом уже будем заниматься исследованием сложных концепций вроде реакторов с газообразным ядерным топливом. Там на исследования могут уйти десятки лет.
Из того, что я понял, ядерный двигатель позволит начать индустриальное освоение космоса. На это нам денег не жалко, потому что по законам экономики, на рубль капитальных вложений мы получим при этом полтора, а то и три рубля прибыли, — продолжил Первый секретарь. — Исследования — это замечательно, но будет намного лучше, если мы построим орбитальные заводы для получения особо чистых химикатов и кристаллов для электроники, построим базу на Луне, откуда намного легче осваивать дальний космос, начнём добывать платину, золото и всякие редкие металлы в поясе астероидов. Да, это отдалённая перспектива, но это возможно. Вот этого от вас, товарищи, и ждут советский народ, партия и правительство.
#Обновление 26.04.2020
Объявили перерыв. Никита Сергеевич с интересом наблюдал, как Бондарюк подошёл к Челомею, что-то коротко обсудил с ним вполголоса, затем они вместе подошли к Арцимовичу, обсуждавшему что-то с Лейпунским. Остаток перерыва они говорили уже вместе, вчетвером. Хрущёв усмехнулся — такие сцены он наблюдал не раз и не два. Конкурентная борьба в советском военно-промышленном комплексе была жесточайшей, но проходила именно так — в кулуарных беседах и на совещаниях в кабинетах правительственного руководства.
Как только совещание продолжилось, Бондарюк поднял руку, прося слова.
— Слушаю вас, Михаил Макарович, — пригласил его высказаться Первый секретарь.
— Никита Сергеевич, мы вот тут, в перерыве, обсудили с товарищами одну возможность... Если помните, я вам в прошлом году докладывал, что мы работаем над космическим реактором мегаваттного класса, 3,8 мегаватта, если точнее.
— Да, помню, у вас там ещё какая-то хитрая система охлаждения с распылением теплоносителя прямо в вакууме планировалась, — припомнил Хрущёв. — Чего-нибудь удалось добиться?
— В общем, да... Реактор с системой внешнего охлаждения уже устойчиво работает на стенде, — доложил Бондарюк. — Систему капельного охлаждения мы в наземных условиях тоже испытали успешно, но теперь её надо испытать в условиях микрогравитации, на орбите.
(Реально наземные испытания пройдены https://ria.ru/20181029/1531649544.html Как эта штука будет работать в вакууме и невесомости, пока непонятно. Реактор с турбомашинным преобразованием энергии создан https://vpk.name/news/241631_v_rossii_sozdan_energoblok_dlya_kosmicheskoi_yadernoi_energoustanovki-centr_im_hrunicheva.html и ждёт очереди на запуск)
Для этого не нужно запускать туда реактор, мы сделали стенд, в виде автономного космического аппарата, который будет разогреваться Солнцем, и охлаждаться при помощи капельной системы. Вот этот стенд надо запустить на орбиту и проверить.
— Так, ясно, — Первый секретарь повернулся к Королёву. — Сергей Палыч, надо бы изыскать возможность провести эксперимент.
— Стенд тяжёлый у вас? — спросил Королёв. — Под какой носитель рассчитывали?
— Под лёгкий, 63С1 'Космос', — тут же ответил Бондарюк.
— Ну, тогда не вижу проблем вообще. Хоть в следующем месяце запустить можно, хоть с Капустина Яра, хоть с Плесецка. Оформляйте заявку, носитель зарезервируем.
— Спасибо, товарищи... Я, собственно, что хотел сказать. В реакторе классического ЯРД температура под 3000 кельвинов, соответственно, все материалы работают в очень жёстких условиях. Требуется натурная отработка на сложных стендах на полигоне, — начал Бондарюк. — В то же время в нашем реакторе температура почти вдвое ниже — 1600 кельвинов. Реактор работает постоянно в замкнутом цикле. Теплоноситель — гелий-ксеноновая смесь, не расходуется, гоняется по кругу. Электричество вырабатывается турбогенератором.
То есть, мы могли бы вместо предполагаемых ионных двигателей поставить разрабатываемый товарищем Арцимовичем плазменный двигатель. Для радиолокационного спутника товарища Челомея реактор с турбогенератором тоже подходит.
— Более того, за счёт турбогенератора с тепловой мощности 3,8 мегаватта можно получить целый мегаватт электроэнергии, — добавил Челомей. — Сравните с жалкими тремя киловаттами, на которые нам приходилось рассчитывать до настоящего времени. Представляете, с какой энергетикой можно радар сделать? Я бы даже согласился на уменьшенную раз в десять версию — нам хватило бы.
Первый секретарь посмотрел на Арцимовича и Лейпунского:
— Что скажете, товарищи?
— Я готов помочь Михаилу Макаровичу с модификацией и доводкой реактора, — тут же поддержал Лейпунский.
— Мы на реакторы товарища Бондарюка с самого начала ориентируемся. Соответственно, можем в качестве ответного шага предложить для его проекта свой двигатель, — ответил Арцимович. — А вот товарищу Челомею такой мощный реактор для питания радиолокатора — излишество. Замаетесь тепло отводить, Владимир Николаич. Вам достаточно 10-20 киловатт электрической мощности. Приделайте турбогенератор к уже имеющемуся реактору — и будет вам счастье. При тепловой мощности 100 киловатт снять с реактора 10-15 киловатт с помощью турбогенератора нетрудно.
— Это Лев Андреич верно подметил, — подтвердил Лейпунский.
— Лев Андреич, а ваш плазменный двигатель на какой стадии сейчас? — спросил Хрущёв.
— Испытываем стендовый прототип, Никита Сергеич, — ответил Арцимович. — Хотите посмотреть? Приезжайте, можем показать в любое время.
— Приеду обязательно, — тут же согласился Первый секретарь. — А кроме двигателя, ещё что— нибудь покажете? Как в прошлый раз? Сумели продвинуться с тех пор?
В прошлый приезд в феврале 1960 года Арцимович показывал ему маломощный прототип рельсотрона, и Никита Сергеевич живо интересовался успехами.
— Покажем, — со значением подтвердил академик. — Успехи имеются, хоть пока и лабораторные.
Через несколько дней после совещания Первый секретарь приехал в Институт атомной энергии. Академики Александров и Арцимович встретили Никиту Сергеевича и нескольких сопровождающих у входа и провели по лабораториям. Хрущёв уже был здесь в 1960 году, он даже узнал ведущих разработчиков:
— Здравствуйте, товарищи, здравствуйте, вот я и снова к вам заглянул. Александр Михайлович, — он пожал руку Андрианову. — Алексей Иванович, — так же тепло поздоровался с Морозовым. — Чем порадуете? Давайте, давайте, показывайте, чего сумели добиться за три года? — Первый секретарь улыбался, но по сторонам смотрел внимательно.
— Прошу за мной, — пояснения взялся давать сам Арцимович, сосредоточивший общее руководство разработками.
На столах были выложены новые образцы различных ионных двигателей, дальнейшее развитие тех, что гостю уже показывали ранее. Арцимович называл цифры, характеристики, сравнивал с первыми образцами. По его рассказу чувствовалось, что учёные зря времени не теряли.
— А где опытный образец, что на совещании обсуждали? — нетерпеливо спросил Хрущёв.
— Сюда пожалуйста, — Арцимович пригласил гостя к большой вакуумной камере. К ней сбоку примыкал сложной формы корпус, из которого во все стороны торчали провода. — Двигатель, собственно, вот, — академик указал на опутанный проводами корпус. — Он работает в вакууме, поэтому эксперименты проводим на вакуумной установке. Посмотреть можно через иллюминатор, только очки защитные наденьте, пожалуйста, — он протянул Первому секретарю тёмные очки. — Алексей Иваныч, включайте.
Морозов поднял рубильник, щёлкнул несколькими тумблерами на пульте. Что-то ритмично загудело. Никита Сергеевич надел очки и заглянул в иллюминатор.
Вначале он ничего не увидел. В вакуумной камере было совершенно темно. Затем её внутренности осветились, из отверстия в боковой стенке выбился короткий язык белого... даже не пламени — свечения, 'отороченного' фиолетовым. Свет трепетал и бился неровным факелом три или четыре секунды. Затем двигатель вышел на режим, и камера изнутри озарилась ярким голубым светом, исходящим от ослепительно белого сияния из отверстия в стене. Двигатель проработал примерно пятнадцать секунд, затем сияние снова превратилось в трепещущее бело-фиолетовое пламя, и ещё через несколько секунд угасло.
(Можно посмотреть здесь https://www.youtube.com/watch?v=Lrc-fP_EqF8)
— Выглядит впечатляюще. И как это работает? — спросил Хрущёв, снимая защитные очки.
— Мы ионизируем водород, превращая его в плазму, чтобы разогреть и удержать от контакта со стенками электромагнитным полем, — объяснил Арцимович. — Разогрев плазмы производится при помощи СВЧ-излучения, как в микроволновке. Поэтому нам нужна большая электрическая мощность, в отличие от ионного двигателя. Горячая плазма ускоряется электромагнитным полем и выбрасывается из двигателя с очень высокой скоростью. За счёт этого мы на данный момент получили удельный импульс в 5000 секунд при тяге в 5 ньютонов. Это очень приличные показатели. (данные реального VASIMR с мощностью 200 кВт, который планировалось испытывать на МКС) Теоретически такой двигатель позволяет достичь значений удельного импульса до 30 тысяч секунд.
Для сравнения — в ионном двигателе удельный импульс много выше — там и 70 тысяч секунд не предел, — подсказал Морозов. — Но тяга ионного двигателя измеряется миллиньютонами, то есть, тысячными долями ньютона. А тут — целых пять ньютонов, это очень много в сравнении с обычным ионником. За счёт постоянного разгона даже с такой относительно небольшой тягой можно достигать очень значительных скоростей, если поставить на космический корабль несколько таких двигателей. С другой стороны, ионный двигатель легче, их можно поставить на аппарат целую батарею.
— Так... Это, как я понимаю, лабораторный образец?
— В общем, да. Он уже достаточно близок к 'летающему', но для создания опытного образца, который можно испытать в космосе, нужно ещё решить ряд вопросов, в том числе — с источником питания, то есть, с ядерным реактором мегаваттного класса, который сейчас как раз делают товарищи Бондарюк и Лейпунский, — пояснил Александров. — Кроме того, есть ещё нерешённые вопросы по поведению плазмы. Их исследование могло бы вывести нас на ещё более интересные технические решения.
