В 1959 году в СССР были инициированы работы по созданию научно- технических основ для опытно-конструкторской разработки ядерного электрореактивного двигателя (ЯЭРД). Подразумевалось, что это будет особый класс двигателей для межпланетных сообщений оснащенных ядерно-энергетической установкой (ЯЭУ). 1959 году в СССР были инициированы работы по созданию научно- технических основ для опытно-конструкторской разработки ядерного электрореактивного двигателя (ЯЭРД). Подразумевалось, что это будет особый класс двигателей для межпланетных сообщений оснащенных ядерно-энергетической установкой (ЯЭУ).
ЯЭУ выступала в качестве нового, мощного и длительно действующего источника энергии с высокой энергоемкостью для энергообеспечения ЭРД и целевой аппаратуры, обеспечивающих решение научных, народно-хозяйственных и оборонных задач в космосе.
Для выбора схемы и параметров космической ЯЭУ большой мощности были исследованы различные схемы преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую.
Результаты анализа показали, что наиболее перспективной является ЯЭУ с ТРП, так как её тепловая и электрическая схемы отличаются простотой, отсутствием движущихся частей, относительно простым запуском и остановом., более высокой по сравнению с другими установками температурой отвода отбросного тепла и, соответственно, более компактным холодильником-излучателем. Таким образом в качестве источника электроэнергии для электрореактивной двигательной установки (ЭРДУ) и энергоёмких КА была принята ЯЭУ с термоэмиссионным реактором-преобразователем (ТРП).
Выполненные к началу 60-х годов проектно-баллистические исследования показали перспективность разработки ЯЭРД для экономичных межпланетных перелетов. Это позволило подготовить предложения о широкомасштабных научно-исследовательских работах по ЯЭРД и ЯЭУ. Дальнейшее развитие получили эти работы после выхода Постановления Правительства от 23.06.1960 г. В десятках НИИ, КБ, вузах и других организациях по техническим заданиям были начаты теоретические, экспериментальные, материаловедческие, испытательные (включая реакторные) исследования, по созданию новых высокотемпературных конструкционных, электродных и других материалов, экспериментальных установок и реакторных испытательных баз.
Поисковый этап развития работ по ЯЭРД был завершён в 1962 г. одновременно с окончанием эскизного проекта ракеты-носителя Н1, в который вошли "Материалы по ЯЭРД для тяжёлых межпланетных кораблей".
В 1965 г. был разработан эскизный проект ядерного электрореактивного двигателя ЯЭРД-2200 для межпланетного корабля с экипажем. Двигатель ЯЭРД-2200 имел двухблочную схему с суммарной тягой 8,3 кгс; ТРП на быстрых нейтронах; литием, как теплоносителем ЯЭУ и рабочим телом ЭРД; лучевую схему компоновки.
В 1966-1970 г.г. был разработан эскизный проект ядерного электроэнергетического и ракетно-космического блока с ЯЭУ и ЭРДУ для использования в составе ракеты-носителя Н1М для марсианского экспедиционного комплекса.
Материалы проекта в части ЯЭРД были рассмотрены и одобрены экспертными комиссиями под руководством академиков А.П.Александрова и Б.Н.Петрова.
В 1971 - 1976 гг. основные работы были сосредоточены на разработке энергодвигательного блока с ЯЭУ на основе ТРП, получившего название "Акация". Основное внимание было направлено на обеспечение транспортабельности, технической реализуемости и технологичности, опытно-экспериментальной отработки основных агрегатов и узлов, а также на решение ряда принципиальных вопросов практического применения энергодвигательного блока в ближнем околоземном пространстве в оборонных, народнохозяйственных и научных целях.
К концу 70-х годов оказалась полностью сформированной концепция космической ЯЭУ второго поколения, действующая и в настоящее время. Эта концепция предполагает использование ТРП на быстрых нейтронах
В 1978 г. была проведена проектная разработка ядерного межорбитального буксира, получившего индекс 17Ф11, в составе многоразовой космической системы "Энергия"-"Буран". Результаты проектных исследований вошли в состав технического проекта орбитального корабля "Буран".
В 1982 г. НПО "Энергия" для Министерства обороны разработало техническое предложение по ядерному межорбитальному буксиру 17Ф11 ("Геркулес"), выводимому на опорную орбиту высотой 200 км с помощью или орбитального корабля "Буран" или ракеты-носителя "Протон", в качестве универсального электротранспортного средства для решения целевых задач в околоземном пространстве.
Дальнейшим этапом был эскизный проект "Стендового прототипа энергодвигательного блока ядерного межорбитального буксира", в котором излагались основные технические решения по прототипам ЯЭУ и ЭРДУ и определялся состав и структура стендово-испытательных баз для их отработки.
В 1986 г. было разработано техническое предложение по ЭРДУ для межорбитального буксира с возможностью транспортирования на геостационарную орбиту полезных грузов массой до 100 т с использованием разрабатываемой тогда РН "Энергия".
В 90-х годах работы по ЯЭУ и ЭРДУ проводились в рамках научно-исследовательских работ "Марс-ЯЭДБ" и "Звезда-паритет" в целях определения ближайших задач использования разрабатываемых установок и увеличения длительности их функционирования.
В 1994 г. было разработано техническое предложение по "Облику электроракетного транспортного аппарата (ЭРТА) для решения народнохозяйственных, научных и коммерческих задач с использованием отечественных и зарубежных ракет-носителей различного класса". Проектные исследования по выбору РН показали, что применительно к ЭРДУ мощностью 150 кВт оптимальной РН является "Энергия-М", хотя возможно использование и зарубежных РН "Титан" и "Ариан-5". ЭРТА кроме доставки модуля с полезным грузом на орбиту функционирования обеспечивает его многопрофильное сервисное обслуживание, включая энергообеспечение, терморегулирование, ориентацию и стабилизацию, передачу на Землю информации и т.п.
ЭРТА имеет полезную мощность ЯЭУ 150 кВт в транспортном режиме и 10-40 кВт в режиме длительного энергообеспечения; ресурс до 1,5 лет в транспортном режиме и до 10 лет в режиме длительного энергообеспечения.
Одновременно с работами по ЯЭУ мощностью 150 кВт выполнялись работы по ядерному энергодвигательному блоку (ЯЭДБ) для пилотируемой экспедиции на Марс. Были исследованы одно, двух и более пусковые схемы экспедиции. Применительно к Марсианскому экспедиционному комплексу (МЭК) массой 150 т для одно-пусковой схемы потребуется термоэмиссионная ЯЭУ электрической мощностью 5-10 МВт с ресурсом до 1,5 лет, а для разделенной схемы, когда доставка к Марсу экспедиционного комплекса осуществляется частями несколькими транспортными аппаратами - мощностью 1-1,5 МВт с ресурсом до 3 лет.
Финал
В процессе работ по космическим ЯЭУ был решен ряд наукоемких проблем, и создан научно-технический, материаловедческий и технологический задел по энергодвигательным блокам и электроракетным транспортным аппаратам. В настоящее время завершена поэлементная отработка узлов агрегатов ЯЭУ, в результате которой разработан и освоен в производстве основной конструкционный материал (ниобиевый сплав) Из него созданы новые проводниковые, изоляционные и магнитные материалы для высокотемпературных электротехнических агрегатов, работающих при температурах 1000-1200 К.
В результате работ по натрий-ниобиевой технологии были разработаны и внедрены в электротехнической промышленности регламенты по термообработке, сварке и пайке металлокерамических узлов натриевой лампы, обеспечивающие необходимый ресурс герметичности, что позволило освоить бездефектное производство ламп без закупки иностранной лицензии.
Создание высоконапряженных теплотранспортных систем привело к успешному решению задачи интенсивного охлаждения элементов лазерной силовой оптики, что повысило порог оптической работоспособности лазерных зеркал технологического и специального назначения примерно в 100 раз.
