1950-е гг. были для атомной отрасли временем больших надежд и великих устремлений. Осознание её возможностей придавало конструкторам ядерных энергетических установок оптимизм и желание реализовать применение нового вида энергии во всех сферах народного хозяйства. А поскольку развитие атомного машиностроения совпало с началом освоения космоса, то полёт реакторов туда был делом времени.
На этом месте я бы хотел предостеречь читателя от восприятия космического ядерного реактора как совокупности активной зоны, разогревающей рабочее тело, и турбины, преобразующей его тепло в электричество. Всё вышеуказанное занимает много места и неприменимо на спутниках. Тепло от космического реактора передаётся теплоносителем к термоэмиссионному (ток возникает за счёт нагрева катода вакуумной лампы с последующим вылетом электронов с него) или термоэлектрическому (нагревается один из концов термопары, что вызывает электродвижущую силу) преобразователю. Циркуляция по активной зоне жидкого металла позволяет повысить теплосъём, ограниченный у воды точкой начала кипения, что увеличивает КПД и расширяет диапазон рабочих температур.
Что бы я не говорил про желание и инициативу отдельных конструкторов, применение ядерных энергетических установок на межпланетных зондах обосновано. Во-первых, на краю Солнечной системы света для работы фотоэлементов слишком мало, а во-вторых, электроэнергию можно использовать для работы ионных двигателей, которые компактнее обычных жидкостных, работают гораздо дольше и требуют мало топлива. Поэтому в США разумно решили параллельно основной космической программе развивать направление аппаратов с ядерными реакторами на борту.
Программа SNAP (Space Nuclear Auxiliary Power, космический вспомогательный ядерный источник энергии) была начата Комиссией по атомной энергетике США (AEC) в 1955 г. после принятия решения о необходимости создания спутников-разведчиков с атомной энергетической установкой на борту. До закрытия направления в 1973 г. проводились как конструкторские работы, так и реализация демонстрационных образцов в металле. Из 3-х прототипов в космос полетел только один – SNAP-10А, разработанный компанией North American Aviation к 1961 г.
Энергетическая установка состояла из ядерного реактора на тепловых нейтронах длиной 39,62 см (15,6 дюйма), диаметром 22,4 см (8,8 дюйма) и массой 290 кг, контура циркуляции теплоносителя и термоэлектрического преобразователя. Активная зона была составлена из 37-ми тепловыделяющих сборок (ТВС), каждая из которых имела диаметр 3,2 см, длину 32,6 см, массу 1,38 кг, содержала топливо в виде 128 г металлического урана-235 и замедлитель в виде нитрида циркония. Топливной загрузки хватало на годичную кампанию. Реактор был окружён 4-мя пластинами бериллиевого отражателя нейтронов, две из них были способны поворачиваться вокруг своей оси для регулировки реактора: при постановке пластины ребром к реактору утечка нейтронов увеличивалась, интенсивность деления урана падала. Аварийная защита реактора выполнялась сбросом отражателей, соединённых лентой на взрывном болте. В таком случае нейтроны покидали активную зону, а реактор гасился. Управление реактором осуществлялось с Земли.
Теплоноситель состоял из смеси 23% натрия и 77% калия и прокачивался электромагнитным насосом через кремниево-германиевый термоэлектрический преобразователь. В электричество переводилось лишь 1,8% тепловой мощности реактора, что неизбежно для такого рода генераторов, но даже так установка давала 550 Вт. Остальное тепло рассеивалось в пространство через радиатор. Радиационная защита вспомогательного оборудования установки осуществлялась щитом из гидрида лития.
В программе Snapshot предусматривались вывод космического аппарата Agena D со SNAP-10А на эллиптическую орбиту средней высотой 1300 км (период обращения 111 мин) и испытания ионного двигателя, дававшего 8,5 мН тяги от ускорения паров цезия в течение часа, после чего потреблявшего 100 Вт в течение 15 ч для зарядки аккумулятора. Также в полезную нагрузку космического корабля входили семь приборов лабораторий ВВС США по исследованию микрометеоритов и электромагнитных полей. Кроме них носитель выводил на орбиту спутник SECOR 4, который входил в систему глобального позиционирования, определяя местоположение оператора относительно трёх наземных стационарных станций.
Запуск ракеты Atlas в рамках программы Snapshot состоялся 3 апреля 1965 г. Незадолго перед выходом на расчётную орбиту от корабля отделился спутник SECOR 4, который не заработал, но SNAP-10A отработал штатно. Через 3 ч 48 мин после старта, после проверки систем, реактор был запущен и вышел на полную мощность ещё через 6 ч 45 мин, в течение третьего оборота по орбите.
На девятом обороте был запущен ионный двигатель. Он проработал не больше часа, после чего был отключён автоматикой, поскольку устройство создавало значительно большие электромагнитные помехи, чем предполагалось, которые повлияли на датчик пространственной ориентации корабля. В результате эксперимент сорвался, но успех первого в мире запуска ионного двигателя в космосе был признан. На 23-м обороте включились исследовательские приборы, для которых высвободилась мощность от ионного двигателя. Они продержались пару недель и дали удовлетворительные результаты.
Миссия штатно продолжалась до 16 мая 1965 г., когда был потерян контакт с кораблём. После восстановления связи оказалось, что из-за сбоя в системе контроля напряжения электрической цепи сработала аварийная защита, сбросив отражатели с реактора. 18 мая программа Snapshot была завершена.
Космический корабль остался на своей орбите, с которой он сойдёт только через 4000 лет. Начиная с 1979 г. фиксируются отделяющиеся от него обломки, происхождение которых связывают с утечкой теплоносителя из контура циркуляции. Эксперимент Snapshot дал бесценные данные по функционированию ядерной энергетической установки в космосе, использовавшиеся для дальнейших работ по программе SNAP, но он остался единственным полётом американского реактора в космос. Применение такой техники в научных целях оказалось избыточным, на космических аппаратах используются более простые радиоизотопные генераторы (РИТЭГи). Но запуск реакторов в космос обрёл второе рождение в Советском Союзе.
Автор: Аким Халиуллин и CatTech