Уже завтра - 25 сентября в Москве стартует самое масштабное мероприятие - международный форум WorldAtomicWeek (WAW), посвящённое атомной и смежным отраслям. Организатором WAW выступает ГК "Росатом", а сам форум приурочен к 80-летию атомной промышленности.
Чтобы не приехать на форум с пустой головой я, благодаря подписчикам и просто читателям канала, собрал ряд вопросов, ответы на которые планирую получить от участников мероприятия. Один из наиболее интересных вопросов касался смежной работы Росатома и Роскосмоса по разработке, производству, испытаниям и реальном использовании плазменного двигателя ВПД-200.
ВПД.
Перед тем, как задавать обозначенные вопросы, давайте проясним, что это за устройство и в каком состоянии находится разработка.
ВПД - высокомощный плазменный двигатель разрабатывался в Троицком НИИ Росатома с 2021 года и в феврале 2025 институт представил два прототипа этого двигателя. Один прототип отличается от второго более сложной конструкцией, потому что дополнен активной системой охлаждения. По словам первого заместителя генерального директора по науке Троицкого института Алексея Воронова - при проведении предварительных испытаний первый двигатель работал в режиме одиночных импульсов, а второй рассчитан на работу в импульсно-периодическом режиме с высокой средней мощностью.
В феврале сотрудники Росатома приступили к сборке стенда для проведения ресурсных испытаний двигателя. Стенд - довольно сложная конструкция. Сначала была построена 150-кубометровая вакуумная камера, затем к ней подключили энергоснабжение. В апреле текущего года заканчивали монтаж насосов для создания в камере "динамического" вакуума. Сам двигатель будет прикреплён с торца камеры. На картинке ниже показано крепление реактивного двигателя с торца камеры справа.
Работа системы довольно простая. Из камеры откачивается воздух, создавая имитацию космического вакуума. При работе двигателя насосы также включаются в активную фазу и откачивают образующееся рабочее тело - газ водород. Так создаётся динамический вакуум в испытательной камере.
Если объяснять простыми словами, не вдаваясь в подробности и терминологию физиков, то принцип работы двигателя тоже не очень сложный. Рабочая камера двигателя заполняется газом. В этой камере установлено два электрода - катод и анод на которые подаётся высокое напряжение. В результате газ ионизируется и переходит в состояние плазмы. Далее под действием магнитного поля, плазма ускоряется и возникает тяга. На этом всё, как сказал первый космонавт Юрий Гагарин: "Поехали!".
При разработке двигателя физикам института пришлось "доводить до ума" форму электродов. Дело в том, что плазма очень агрессивная и вызывает эрозию, буквально "выбивая" частицы сплава из которого сделаны электроды. Чтобы электроды прослужили как можно дольше и не разрушились от эрозии раньше времени, их сделали пластинчатыми. При испытаниях измерялось изменение толщины и веса катода и анода. Затем, меняя геометрическую форму электродов, физики добились их максимальной устойчивости к воздействию плазмы.
Принцип работы плазменного двигателя говорит о том, что для его обслуживания потребуется периодическая замена износившихся электродов. Интерес вызывает материал из которого они сделаны. Этот вопрос постараюсь уточнить на форуме.
По своей мощности ВПД в несколько раз превосходит химические ракетные двигатели, применяемые в настоящее время.
Характеристики прототипа плазменного двигателя:
- Мощность — 300 кВт.
- Максимальный удельный импульс — 100 км/c.
- КПД > 80 %.
Мощность небольшая видимо из-за того, что это прототип. Если испытания пройдут успешно, прототип должен будет переехать в Роскосмос для дальнейших исследований. Дело в том, что при запуске ракета испытывает огромные перегрузки и вибрирует. Таким образом, двигатель должен пройти этот стенд, имитирующий запуск ракеты и вибрационные испытания.
Для чего нужен второй прототип?
Всё просто. На втором двигателе, дополненном активной системой охлаждения, учёные планируют опробовать различные виды газа. Это продиктовано простой логикой. В последнее время космическая отрасль в мировом масштабе занята решением двух задач - постройкой лунной базы и экспедицией на Марс. Как раз вторая задача натолкнула учёных на мысль, что при успешном перелёте с Земли на красную планету для возвращения интересно было бы использовать газ из атмосферы Марса, а не везти топливо с Земли.
По предварительным расчётам, при использовании плазменного двигателя время перелёта с Земли на Марс должно сократиться до 30-60 дней. Сейчас перелёт занимает около года и космонавт в таком случае может получить огромную дозу радиоактивного облучения. Сокращение времени перелёта сократит и воздействие радиации на человека.
Другой, не менее важный момент. На сегодняшний день, по статистике, на Марс успешную посадку совершило только 50% от всех запущенных на планету летательных аппаратов. А значит, аппараты надо строить надёжнее, повышая процент успешных посадок.
При ознакомлении с первой инженерной задачей у меня возник ещё один вопрос, касаемо системы охлаждения. Нужна ли активная система охлаждения в космосе при абсолютном нуле? Возможно, её будут использовать на стартах. - А в открытом космосе она нужна или её будут включать/отключать в зависимости от солнечной активности? Я не астрофизик, поэтому не могу разобраться в этом вопросе. Если кто-то знает ответ, сообщите, пожалуйста, в комментариях.
Где взять электричество и когда ждать готовый двигатель?
Согласно информации, опубликованной на сайте "Страна Росатом" и других достоверных, надёжных СМИ (Коммерсантъ и т.п.) существует утверждённый план реализации проекта. Так, к концу текущего года планируется собрать стенд для ресурсных испытаний. Затем ВПД отправится в Роскосмос, а завершение проекта и выпуск готового к полётам двигателя должно состоятся к концу 2030 года.
Но для его использования учёным надо решить ещё одну очень важную задачу, заданную ещё в 1950-х годах - создание ЯЭДУ (ядерная энергодвигательная установка). И здесь всё гораздо сложнее. Разработку ЯЭДУ параллельно и независимо друг от друга ведут две страны - США и Россия. На сегодняшний момент успехов пока не достигнуто. Проблема заключается в безопасном использовании ядерного топлива. А для работы плазменного двигателя потребуется огромное количество электроэнергии, которое в состоянии может выработать только ядерный реактор. В нашей стране разработка была прекращена с начала 1990-х и возобновилась в полном объёме лишь в 2009 году, когда в разработке активно стали принимать участие Росатом и Роскосмос, объединив свои научную и материально-финансовую базы.
Если в 2030 году выпустят ВПД, успеют ли создать ЯЭДУ? - вот главный вопрос, который следует задать на форуме.
Статья подготовлена в рамках проекта Дзен "Неделя атомной промышленности (WAW) в Москве".