Владимир Кошлаков: Россия опередила всех в космической ядерной энергетике

Генеральный директор АО ГНЦ «ЦЕНТР КЕЛДЫША», доктор технических наук, профессор Владимир Кошлаков

– Новая тенденция развития космонавтики – создание тяжелых аппаратов от сотен килограммов до нескольких тонн, способных перемещаться на дальние расстояния и осуществлять многоразовые миссии. Для таких аппаратов мы разрабатываем более мощные двигатели. Уже приступаем к изготовлению модуля из четырех холловских двигателей общей мощностью до 250 килоВатт.

– Испытания запланированы на 2024 год, сейчас идет работа по подготовке стендовой базы.

Будет несколько этапов. Первый этап пройдет на Земле, но в условиях, приближенных к космическому пространству. В ходе отработки мы подтвердим технические и ресурсные характеристики, что особенно важно для аппаратов, которые должны долго существовать на орбите.

Следующий этап испытаний модуль пройдет либо в составе демонстраторов двигательных установок, либо уже на объектовых космических аппаратах, или же каких-то транспортных системах.

– Да, для того чтобы больше грузов увезти за пределы земной орбиты для освоения Марса и других планет, нужны более мощные двигатели. Много аппаратов было запущено за пределы земной орбиты, но все они имели небольшую массу.

Самые, наверное, эффективные двигатели, которые были созданы на Земле – это жидкостные ракетные двигатели, но их недостаток в том, что они работают ограниченное количество времени. Буквально за несколько минут исчерпывают все топливо и летят дальше с набранной скоростью. Поэтому мощные электроракетные двигатели, способные работать длительное время, – это одно из приоритетных направлений развития.

– Нашим институтом разработана целая номенклатура двигателей, начиная от нескольких Ватт до сотен килоВатт. Часть из них активно используется в составе уже действующих на орбите космических аппаратов.

– Ионные электроракетные двигатели отличаются от холловских более высоким удельным импульсом тяги. То есть заряженные ионы с большей скоростью покидают этот двигатель. Таким образом, требуется меньшее количество топлива, чтобы достичь тех же самых скоростей. Мы за последние годы разработали целую линейку двигателей ионного типа, но работы продолжаются.

В нашей стране ионные двигатели испытывались в космосе еще в период СССР, но они не нашли широкого применения, так как другая отечественная разработка – двигатели с замкнутым дрейфом электронов (холловские двигатели) – обеспечивали оптимальное соотношение параметров для систем коррекции и поддержания орбиты космических аппаратов.

Мы отработали ионные двигатели на нашей стендовой базе, получили требуемые характеристики на ресурсных испытаниях. За счет накопленного опыта в области холловских двигателей эти разработки нам удалось провести не за десятки, как во всем мире, а за несколько лет. Поэтому можем уверенно сказать, что ионные двигатели для обеспечения многоразовых полетов к Марсу, к дальним планетам Солнечной системы, будут более эффективны, чем холловские.

– Инфракрасные фурье-спектрометры – приборы, предназначенные для получения спектров теплового излучения атмосферы Земли в интересах оперативной метеорологии, позволяющие определять распределение температуры и влажности по высоте. Первый такой прибор, разработанный и изготовленный АО ГНЦ «Центр Келдыша» с кооперацией для космического аппарата «Метеор-М» №2, уже восемь лет успешно функционирует на орбите.

Изначально мы использовали их при испытаниях жидкостных ракетных двигателей на стенде. По спектральному составу излучения факела можно оценивать, какие процессы происходят внутри двигателя, диагностировать возникновение нештатных ситуаций в турбонасосных агрегатах, газогенераторах, контролировать качество смешения, полноту сгорания.

Мы постоянно совершенствуем разрабатываемые нами фурье-спектрометры с точки зрения улучшения технических характеристик и расширения номенклатуры информационной продукции, включая возможность получения данных о направлении и скорости ветра, определение концентраций малых газовых составляющих атмосферы, в том числе парниковых газов. Принципиально аппаратура позволяет наблюдать за источниками метана, углекислого газа, за промышленными площадками, причем на территории не только нашей страны. Именно для решения задачи мониторинга парниковых газов в атмосфере наши фурье-спектрометры были включены в состав группировки обзорных спутников, планируемых к созданию группой «ВИС» и Роснедрами.

Работы по созданию гиперспектральной ИК-аппаратуры очень востребованы, тем более в условиях импортозамещения и ограничения доступа к данным зарубежных ИК-зондировщиков.

– Для перспективных полярно-орбитальных космических аппаратов «Метеор-МП» мы разрабатываем фурье-спектрометр нового поколения – ИКФС-3, имеющий расширенный спектральный диапазон (3,6-15,5) мкм и значительно улучшенные пространственные характеристики. Для каждого из трех спектральных поддиапазонов используются свой объектив и свое фотоприемное устройство, при этом сами фотоприемники являются многоплощадочными, что позволяет обеспечить требования к малому шагу пространственной сетки измерений. Информативность такого прибора по сравнению с ИКФС-2 возрастает в несколько раз.

– В настоящий момент инфракрасные фурье-спектрометры не входят в состав целевой аппаратуры спутников «Электро-Л» и «Арктика-М», однако необходимость установки таких приборов на спутники для геостационарной орбиты и высокой эллиптической не вызывает сомнений. Для геостационарных спутников третьего поколения «Электро-М» Росгидрометом ставится задача создания изображающего инфракрасного фурье-спектрометра с матричными фотоприемными устройствами, обеспечивающего сканирование видимого диска Земли с периодичностью не реже одного раза в час. Аппаратура сложная, но будучи разработанной, может устанавливаться также на космические аппараты «Арктика-МП» для высокоэллиптической орбиты.

– Пока нет. Но для космических аппаратов мы также делаем системы обеспечения тепловых режимов. Мы совместно с РКЦ «Прогресс» и РКК «Энергия» разработали новый тип контурных тепловых труб, уникальных по своим характеристикам. У нас хорошая исследовательская база и большой опыт отработки тепловых устройств, в первую очередь с аммиаком в качестве теплоносителя. Центр Келдыша обеспечивает заправку до 30% тепловых труб, используемых в отечественной космической технике. Сейчас доводим контурные тепловые трубы с испарителем из высокотеплопроводного сплава и на новых аппаратах, в частности, планируем их внедрение на «Аист-2Т».

Целое направление экспериментальных работ ведется по системам пилотируемых аппаратов. Мы принимаем активное участие в создании системы тепловых режимов для новых модулей РОСС (Российская орбитальная служебная станция) и испарительной системы открытого типа для корабля «Орел».

Также отработали технологию изготовления и испытаний термоэлектрических сборников влаги из атмосферы обитаемых модулей. После завершения всех конструкторских работ планируем приступить к изготовлению штатных устройств, которые заменят на борту менее эффективные сборники влаги компрессорного типа.

– Плазмотронной техникой мы занимаемся с 60-х годов, первоначально использовали ее в научно-исследовательских целях – для исследования рабочих процессов в камерах сгорания двигателей, где такие же высокие температуры. Плазмотроны позволяют получать температуры до пяти-шести тысяч градусов.

Сейчас мы занимаемся вопросами использования этих плазмотронов в различных областях гражданской сферы экономики. Возможным является направление утилизации вредных промышленных отходов. При таких температурах все вредные вещества разлагаются, не выделяются угарные газы, диоксины, фураны. Сейчас мы разработали конструкторскую документацию на опытно-промышленную установку, идет ее изготовление.

В то же время, эти установки очень мощные, и удельная стоимость утилизации килограмма коммунальных отходов будет достаточно высокой. Поэтому наиболее эффективно их использование для особо опасных отходов – залежей нефтеносных слоев после переработки, дожигания активных зол от мусороперерабатывающих заводов. Мы провели ряд переговоров с потенциальными потребителями, общались с металлургическими комбинатами, с представителями ЖКХ Нижегородской области и на Дальнем Востоке.

Еще одно направление этой техники – использование плазмотронов в плазмохимии. При таких температурах можно получать вещества с новыми характеристиками, например, разлагать метан на газообразный водород и на твердый углерод.

Сегодняшняя технология получения водорода методом электролиза, когда вода разлагается на кислород и водород, весьма энергозатратна –требуется порядка 50 килоВатт, чтобы получить килограмм водорода. Наша технология требует от 15 до 17 килоВатт на килограмм водорода.

Сейчас ведем переговоры с «Газпромом», у них на Сахалине создается водородный кластер. Им нужно утилизировать метан, который выделяется в больших количествах на свалках. При утилизации через плазмотрон мы получаем в твердом виде углерод, фактически ни СО, ни СО2 не образовывается, потому что в этом химическом процессе нет кислорода. Полученный водород можно интегрировать назад в метан, и повысить тем самым технологические характеристики агрегатов, которые работают на этом метане за счет полноты сгорания, меньшего сажеобразования, меньшего выделения СО2. Углерод мы получаем в виде ультрадисперсного порошка, размер порошка варьируется от 40 до 70 нанометров, то есть он настолько чистый, что может быть использован в медицине.

Кроме того, при утилизации метана мы можем получать ацетилен. Метан – это СН4, мы можем из него сделать С2Н2 – это ацетилен. Его наша страна закупает за рубежом для использования в производстве различных пластиков, в химической промышленности.

– Наш институт опреснением воды занимается давно, еще со времен строительства космодрома «Байконур», где была нужна питьевая вода особого качества для космонавтов и техническая очищенная вода для техники стартовых сооружений.

Для российских и зарубежных заказчиков мы в свое время реализовали более 30 проектов, в том числе в ЮАР и САР. Наши установки производят от нескольких кубометров в час до нескольких десятков тысяч кубометров воды в сутки.

Самый крупный проект, который мы сейчас реализуем, – в Казахстане. В 2004 году мы построили там завод производительностью 20 тысяч кубометров питьевой воды в сутки. Сейчас идет работа по увеличению производительности в два раза – до 40тысяч кубометров воды в сутки. Модернизация этого завода должна завершиться в этом году.

Для нашей страны это не очень актуально, кроме таких засушливых регионов, как, например Калмыкия. Активнее всего работаем с зарубежными странами, где проблема с водой есть. Это африканский регион, Ближний Восток, Индия.

– Сейчас весь мир развивает технологии новых материалов. Мы хотим совершенствовать нашу ракетно-космическую технику, повышать энергетику и эффективность, поэтому ужесточаются и требования к материалам. В первую очередь – это обеспечение безопасности пилотируемых полетов, надежность различных спутниковых подсистем. Самозалечиваемость – это, я бы сказал, капля в море материалов, просто она красивая и недавно появилась.

Наш институт активно работает в области нанотехнологий и наноматериалов. Один из таких материалов обладает достаточно высокой скоростью залечивания – меньше, чем за секунды мы можем устранять дефекты размерностью один, два, три миллиметра. При этом они работают в различных условиях как по температуре, так и по давлению.

Первоначально мы разрабатывали такие материалы для надувных конструкций, которые могли бы разворачиваться в космическом пространстве, и при возникновении дефектов от микрометеоритов они могли бы оперативно зарастать. В настоящее время активно работаем вместе с НПП «Звезда» над созданием герметизирующих оболочек для скафандров, в которых космонавты работают в открытом космосе.

Сейчас скафандр космонавта представляет собой конструкцию из нескольких слоев, это трудоемкая в изготовлении конструкция. С помощью свойства самозалечивания можно было бы уменьшить количество слоев.

Кроме того, сейчас прорабатываем использование таких материалов в крупногабаритных системах обеспечения тепловых режимов космических аппаратов.

– НПП «Звезда» нам передало образцы материалов, которые используют космонавты, и из которых делается скафандр. Мы смогли интегрировать самозалечивающийся материал внутрь ткани, смогли сделать многослойные конструкции. Недавно проходил научно-технический семинар в Центре подготовки космонавтов имени Гагарина, где все эти вопросы рассматривали не только с конструкторами-технологами, но и с самими космонавтами.

– Для них чем легче, проще и мобильнее, тем лучше. Дело в том, что этот материал не только эластичный, он очень текучий, и сохранить его на поверхности – целая проблема. Мы сейчас придумали такую сотовую конструкцию с этим материалом, которая бы его удерживала и не позволяла перетекать куда-то.

– Эта тема изначально родилась в стенах нашего института. Был проведен весь комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ сначала на малогабаритных изделиях. Мы отработали основные технические решения, создали принципиальную схему этой установки, показали, что можно создать летный образец, и все свои наработки передали в конструкторское бюро. Конструкторское бюро создает космический аппарат в целом. Но самое сложное, что есть в этом аппарате – сердце этого аппарата, оно было разработано здесь.

– Планы остаются в силе. В прошлом году в состав МКС вошел модуль «Наука». В его составе уже интегрировано все, что нужно для проведения этого эксперимента, подведена бортовая сеть, места стыковки аппаратуры. У нас тоже вся документация есть. Сейчас по планам отправка стоит на 2024 год, но мы считаем, что надо ускорить этот процесс, потому что он может дать качественный скачок в системах сброса тепла.

– После доставки холодильник нужно только пристыковать и можно сразу начинать эксперимент. Долго длиться он не будет, потому что нам необходимо создать принципиальную возможность генерации этих капель и поймать их в приемнике, то есть показать, что эта система работает в замкнутом контуре. После подтверждения расчетных характеристик можно будет строить штатное изделие.

– На сегодняшний момент, действительно, мы создали уникальную вещь, которая далеко опередила многие страны. Но за последние два-три года в США тоже появилась информация о разворачивании программы по созданию космических средств на основе ядерной энергетики. Чтобы это сделать, им нужен такой же испытательный комплекс, как у нас, специалисты, которые в этой сфере работают долгие годы. Однако, мы и американцы концентрируемся на различных уровнях мощности, разных задачах в космосе. Потенциально мы могли бы дополнить друг друга, как это было при создании МКС. На сегодняшний день мы продвинулись дальше и опережаем их на семь-восемь лет, потому что срок создания технологии примерно такой. Но американцы на месте не сидят, да и европейцы тоже активизировались. Ни в коем случае нельзя радоваться, что мы кого-то опережаем, и стоять на месте, надо работать, и мы работаем.