Транспортно-энергетический модуль

09.03.2021

Транспортно-энергетический модуль (ТЭМ, Ядерный буксир, Космический буксир) — разрабатываемое российское космическое транспортное средство (межорбитальный буксир).

ТЭМ разрабатывается АО ЦНИИмаш по заказу Роскосмоса.

Создание модуля является частью разработки на базе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса, совместного проекта группы предприятий входящих в состав госкорпораций Роскосмос и Росатом.

ТЭМ создаётся как транспортное средство для решения большого спектра задач, в том числе для доставки грузов на орбиту Луны, геостационарную орбиту (ГСО), траектории к планетам Солнечной системы, в том числе к Марсу, а также для борьбы с мусором на орбите Земли.

Цель проекта — создание принципиально нового транспортного средства в космосе, обладающего возросшим уровнем энергии и позволяющего обеспечить участие России в крупных международных проектах, осваивать передовые технологии, вырастить новых специалистов и позволить осуществлять длительные задания по исследованию Солнечной системы.

Отличительная особенность проекта от предыдущих космических аппаратов, имеющих ядерные реакторы на борту — источник энергии мегаваттного класса (благодаря ЯЭДУ мегаваттного класса, модуль получит тридцатикратное увеличение объёмов располагаемой энергии), раздвижной капельный холодильник-излучатель.

Работы по проекту начались в 2009 году; разработку с 2011 до 2015 года вела РКК Энергия, планировалось, что он будет готов к 2018 году.

Дата появления летного прототипа модуля примерно в 2022—2023 году (2030 г.).

На 2018 год приблизительная стоимость проекта оценивается в 8 миллиардов 250 миллионов рублей.

На основе ТЭМ КБ «Арсенал» разрабатывает космический комплекс «Нуклон» для научных исследований в интересах освоения Луны и изучения Солнечной системы.

Описание

Модуль состоит из энергоблока с реакторной установкой, электроракетной двигательной установки (ЭРД) и приборно-агрегатного комплекса.

Конструкция модуля также состоит из раздвижных ферм, стыковочного узла, солнечных батарей, капельного холодильника-излучателя, маршевых электрореактивных двигателей, системы преобразования энергии, креновых ЭРД, зоны размещения робототехнических средств, генератора капель.

Новые ионные двигатели (ИД-500) повышенной мощности.

Сборка может осуществляться на орбите с использованием МКС.

Груз стыкуется с помощью другого корабля (см. главную иллюстрацию статьи).

ОКР по теме ТЭМ Цель выполнения ОКР

Цель выполнения ОКР: создание принципиально нового транспортного средства в космосе, обладающего качественно возросшим уровнем энергетики и позволяющего обеспечить:

  • участие России в перспективных масштабных международных проектах по освоению космического пространства;
  • освоение новых инновационных технологий в обеспечение развития отечественной промышленности;
  • формирование научно—технической элиты для решения комплексных инновационных задач;
  • возможность создания систем энергоснабжения Земли из космоса, борьбы с астероидно-кометной опасностью и очистки околоземных орбит от неработающих спутников и космического мусора.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

  • Обеспечение космического транспортного средства электрической мощностью мегаваттного уровня.
  • Создание маршевых двигательных установок на основе электроракетных двигателей с удельным импульсом тяги не менее 70000 м/с.
  • Освоение и передача в производство инновационных технологий, в том числе:
    • технологий создания высокотемпературных (до 1500К) турбин;
    • технологий создания высокотемпературных (до 1200К) компактных теплообменных аппаратов;
    • технологий создания высокоэффективных электроракетных двигателей большой мощности (более 50 кВт);
    • технологий создания высокотемпературного (до 1600К) компактного газоохлаждаемого реактора на быстрых нейтронах с системами обеспечения ядерной и радиационной безопасности на всех этапах эксплуатации;
    • технологий создания высокотемпературных тепловыделяющих элементов;
    • технологий создания высокооборотных (30000…60000 об/мин) электрогенераторов и статических преобразователей большой мощности;
    • технологий создания высокотемпературных (до 1500К) конструкционных материалов с ресурсом до 100000 часов;
    • технологий создания бескаркасных холодильников—излучателей;
    • технологий развёртывания крупногабаритных конструкций в космосе.
  • Рост количества высококвалифицированных работников ракетно—космической и атомной отраслей российской промышленности.

История

С 70 годов ХХ столетия РКК «Энергией» совместно с рядом предприятий велись разработки космической ядерной энергетической установки с использованием литий-ниобиевой технологии электрической мощностью 500—600 кВт для создания буксира «Геркулес». В 1988 году усилиями РКК «Энергия» появились первые разработки солнечных электроракетных буксиров большой мощности. С 2001 по 2005 год РКК «Энергия» в сотрудничестве с ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша», ЦНИИмаш, ГКНПЦ им. М. В. Хруничева, ИКИ РАН, ИМБП РАН и рядом других организаций участвовала в проектно-конструкторской работе над ключевыми элементами энергодвигательного комплекса и космической платформы для обеспечения реализации пилотируемой экспедиции на Марс. В проекте также был рассмотрен вариант солнечного межорбитального буксира с мощностью 15 МВт с тонкоплёночными солнечными батареями и электроракетной двигательной установкой Паром.

Невозможность осуществлять межорбитальные перелёты, осваивать Солнечную систему и защитить Землю от метеоритов и астероидов привела к тому, что в 2009 году «Комиссией по модернизации и технологическому развитию экономики России при президенте России» было принято решении о начале проектных работ над Транспортно-энергетическим модулем на основе ядерной энергодвигательной установки, «Энергии» отвели головную роль в части проектирования модуля, Центр Келдыша возглавил разработку установки, а НИКИЭТ занялся созданием реактора. Инициативой заинтересовались в США, и в 2011 году предложили сотрудничество, однако после 4 заседаний межправительственной комиссии достичь договоренности не удалось. В апреле 2015 пресса растиражировала новость о том, что работы по проекту были свёрнуты, однако информация была опровергнута. К 2018 году были сданы эскизный и технический проекты, двигатели и реактор.

Ход работ

2009 год

Благодаря многолетним теоретическим и практическим изысканиям, которыми занимались ведущие предприятия России, появилась возможно подготовить теоретическую базу, с результатами которой были ознакомлены члены Комиссии по модернизации и технологическому развитию экономики России при президенте России. Проект создания модуля был частью разработки на базе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса, при сотрудничестве Роскосмоса и Росатома.

Президент России Дмитрий Медведев, ставший инициатором работ, полагал, что следует отнестись к проекту со всей серьёзностью ввиду его значимости. Анатолий Перминов, также один из инициаторов работ, полагал, что эта работа поможет обойти конкурентов, с одной стороны, а с другой, настаивал на международной кооперации. В октябре 2009 Анатолий Перминов сообщил, что эскизное проектирование будет закончено к 2012, а на всю работу уйдёт около 9 лет.

2010 год

В 2010 году по распоряжению президента России Дмитрия Медведева начались работы по созданию транспортного модуля на основе ЯЭДУ. Росатом утвердил техническое задание на разработку установки мегаваттного класса и модуля. В марте была осмотрена технологическая база для создания и обеспечения эксплуатации систем управления ядерными реакторами.

2011 год

Роскосмос объявил конкурс на создание ядерной энергодвигательной установки большой мощности, способной выполнять длительные перелеты.

9 февраля состоялась видеоконференция руководителей предприятий-участников проекта, подводились итоги работ по прошлому году и задачи в новом году, особое внимание в ходе встречи было уделено необходимости создания испытательного комплекса Ресурс для отработки реакторной установки.

На совещании 11 октября обсуждались вопросы в области создания радиационно стойкой элементной базы, необходимой для системы управления реактором и транспортно-энергетического модулем в целом. В результате специалисты пришли к выводу, что система управления комплексом может быть создана на российской элементной базе. Был завершен эскизный проект установки.

2012 год

Сформировать рабочий облик модуля предстояло РКК Энергии, на что с 2010 по 2018 выделялось 5,8 миллиардов рублей. В этом же году был подготовлен технический проект. Завершили первую часть технического проекта установки. В ГНЦ РФ-ФЭИ подготовлены материалы по техническому проекту лётного и наземного вариантов установки по оптимальной системе радиационной защиты. Проведены расчёты для обоснования радиационной безопасности, дополнительной радиационной и биологической защиты.

2013 год

Эскизное проектирование было завершено в 2013 году На основе полученных в 2012 году результатов было принято решение перейти к этапу рабочего проектирования и изготовления оборудования и образцов для автономных испытаний. На МАКС-2013 был представлен макет модуля и некоторых важных частей, таких как: ядерная энергодвигательная установка и турбокомпрессор-генератор.

2014 год

Проводились испытания новых ионных двигателей повышенной мощности ИД-500. Начались испытания ТВЭЛов.

В декабре 2014 были изготовлены трубы из молибденового сплава для рабочих органов системы и защиты реакторной установки.

2015 год

29 июня на заседании руководителей проекта, были рассмотрены предложения по поэтапности разработки ТЭМ, план-графика поставки комплектов деталей и узлов твэлов РУГК и изготовления комплекта твэлов РУГК, заключенные договора, выполнение работ во втором квартале года. На заседании главных конструкторов проекта от 5 августа разбирались вопросы по организации работ, разработке дополнения к проекту и созданию испытательного комплекса Ресурс.

В октябре в ходе заседания совета по проекту, рассматривались вопросы по опытно-конструкторским работам его составных частей, схемы деления ТЭМ, возможные технические средства в составе модуля, обеспечение радиационной безопасности при выводе на орбиту.

2016 год

Макет ТЭМ

Планировалось, что корпорация Энергия создаст модуль к 2018. Однако летом 2016 года стало известно, что Роскосмос заказал Центру имени Келдыша разработку транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса стоимостью в 3,8 миллиарда рублей.

В конце марта на выставке «Госзаказ — ЗА честные закупки 2016» вновь был показан макет ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса.

в ноябре 2016 года директор ФГУП ЦНИИмаш Олег Горшков сообщил, что разработкой займётся их институт. Он напомнил, что речь идёт об устройстве, способном вырабатывать 1 мегаватт энергии, что откроет принципиально новые возможности в освоении космоса, а также о том, что ни США, ни Европа на данный момент не обладают подобной технологией. Летный прототип должен появиться в 2022-2023 годах.

2017 год

В январе 2017 года Дмитрий Рогозин, довёл до сведения общественности, что в ближайшее время будет принято решение о том, как будет использован транспортно-энергетический модуль.

В конце апреля 2017 года генеральный конструктор Роскосмоса Виктор Хартов подтвердил успешный ход работ по ТЭМ, сообщив некоторые технические подробности. Прежде всего о том, что есть готовый реактор, системы преобразовывают вырабатываемую им тепловую энергию в электрическую, которая поступает на ионные двигатели. Двигатели мощностью 30 кВт сейчас испытываются в камере. По его словам уже есть около 10 ключевых технологий, которые сейчас воплощают в жизнь.

В октябре 2017 года стало известно, что, согласно утверждённой программе развития космодромов, планируется создать технический комплекс подготовки космических аппаратов на основе транспортно-энергетических модулей.

В 2017 году весь бюджет подпрограммы «Приоритетные инновационные проекты ракетно-космической промышленности» размером 2,2 миллиарда рублей был расписан на единственный проект — «Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса».

2018 год

В конце февраля 2018 года проводились работы по изготовлению и наземной отработке ЯЭДУ мегаваттного класса и ТЭМ.

В августе на главной странице официального сайта Исследовательского центра имени М. В. Келдыша в тексте программного меморандума к 85-летию предприятия появилось подтверждение продолжения работ по ЯЭДУ.

В октябре Роскосмос дал поручение специалистам «КБ Арсенал» рассмотреть эскизные предложения, провести расчетно экспериментальные исследования и проработать облик буксира не только с ядерной энергодвигательной установкой, но и с электроракетными двигателями.

2019 год

28 января выездная комиссия определила места на космодроме «Восточном», где будут строиться стартовая площадка для сверхтяжелых ракет и транспортно-энергетический модуль.

В марте госкорпорация Роскосмос оштрафовала «Центр имени Келдыша» на 154,9 миллиона рублей за срыв сроков выполнения работ по производству ТЭМ, которые должны были завершится к ноябрю 2018 года.

В годовом отчете Роскосмоса за август сообщалось, что были выполнены испытания отдельных частей макета наземного прототипа модуля.

На проходившем в конце августа МАКС-2019 посетители могли наблюдать выставленный макет ТЭМ. Со слов присутствующих рядом со стендами лиц, масса сухого аппарата состваляет около 6 тонн, фермы конструкции и панели излучателей уже протестированы.

18 сентября глава Роскосмоса Дмитрий Рогозин на встрече с участниками V Всероссийской научно-практической конференции "Орбита молодежи" в Балтийском государственном техническом университете имени Устинова сообщил, что работы по созданию космического "буксира" с ядерной энергодвигательной установкой продолжаются, однако решается вопрос, будет ли это сразу мегаваттный класс или же полумегаваттный. Самая безопасная орбита для выведения буксира — не менее 800 километров, скорость его будет невысока, но работать он сможет очень долго.

В сентябре из информации на сайте госзакупок стало известно, что Роскосмос заказал работы по прикладным инновационным исследованиям технологий создания ракетных двигателей. Исполнитель по контракту должен предоставить предложения по проектному облику электроракетного роторного двигателя в составе ядерной энергодвигательной установки межорбитального буксира. Сумма контракта составляет 525,6 млн рублей. Экспериментальное подтверждение работоспособности макета должно состояться не позднее 30 марта 2020 года.

2020 год

28 января на Королевских чтениях первый заместитель гендиректора Роскосмоса Юрий Урличич заявил, что к 2025 году планируется создать «опытные образцы космической ядерной энергоустановки с термоэмиссионным реактором-преобразователем», к 2030 году должны быть завершены ресурсные испытания, на 2030-е годы запланированы летные испытания аппарата .

29 апреля агентство РИА Новости сообщило о приостановке проекта и расторжении контракта между Роскосмосом и Центром Келдыша по причине неготовности стендово-испытательной базы.

2 июня Дмитрий Рогозин сообщил, что работы над проектом продолжаются, но не афишируются.

4 июля делегация Роскомоса во главе с Дмитрием Рогозиным посетила КБ Арсенал, в социальных сетях к сообщению о данном событии было добавлено также концептуальное изображение ТЭМ.

13 и 14 сентября появились неофициальные фотографии сборки наземного прототипа ТЭМ в цехах КБ «Арсенал»: Ядерный космический буксир в металле.

19 сентября автор некоммерческого образовательного проекта о космосе Игорь Егоров сообщил о полной переработке концепции ТЭМ в силу неудач с разработкой капельного излучателя-охладителя и турбомашинного преобразователя. Проект получил название «Нуклон» и будет выполняться по хорошо отработанной в СССР технологии термоэмиссионного преобразования энергии.

28 сентября в эфире проекта ПостНаука на 38 минуте, начальник лаборатории перспективных реакторных концепций НИЦ «Курчатовский институт» Татьяна Щепетина, на вопрос о ядерных двигателях в космосе заявила: что разрабатываемая в данный момент установка двухконтурная, это реактор с газовым теплоносителем и турбинным преобразователем. Что является не самой удобной в виду необходимости обслуживания турбины, но самой компактной схемой.

8 декабря во время Общего собрания РАН, посвящённого 75-летию российской атомной отрасли во время доклада о космической ядерной энергетике (начало 4 час 40 минута) Драгунова Юрия Григорьевича в презентации демонстрируется ряд материалов о проекте: концептуальные проекты космических ядерных энергосистем, схема управления в части создания ядерной установки, гелий-ксеноновая схем ЯЭДУ, замеры температурных полей реактора, модели и стенды для экспериментов по верификации расчетных кодов, полномасштабный макет корпуса реактора для термоциклических и пневматических испытаний, фото сборки фрагментов активной зоны РУ, блоки внутренней и внешней радиационной защиты и их успешные вибропрочностные испытания, петлевые испытания фрагмента активной зоны реактора МИР-1.М. После идет заключение об разработке и одобрении проекта ядерной установки, подтверждении технических требований, обосновании ядерной и радиационной безопасности, подтверждение реализуемости создания реакторной установки.

11 декабря РИА Новости сообщило, что Роскосмос заключил контракт с КБ "Арсенал" стоимостью 4,2 миллиарда рублей на разработку аванпроекта космического ядерного буксира (как стало известно из ТЗ, космического комплекса) «Нуклон» для полетов к Луне, Юпитеру и Венере. «Нуклон» сможет доставлять 10 тонн груза на Луну за 200 суток, говорится в документах «Роскосмоса», опубликованных на сайте госзакупок.

Характеристики

ЯЭДУ

Реактор

Высокотемпературный газоохлаждаемый реактор на быстрых нейтронах, выдерживающий температуры до 1500 К.. В качестве теплоносителя используется гелий-ксеноновая смесь Капельный холодильник-излучатель, турбокомпрессор, трубы из молибденового сплава для рабочих органов системы и защиты реакторной установки..

Ионный двигатель

Для модуля в ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша» был разработан новый ионный двигатель повышенной мощности ИД-500. Его огневые испытания проходили в 2014 году. Его параметры: мощность 32-35 кВт, тяга 375—750 мН, удельный импульс 70 000 м/с (7140 с), коэффициент полезного действия 0,75, масса: 34.8 кг, проектный ресурс: больше 20 000 часов. По состоянию на 2019 год двигатель прошел полный цикл наземной отработки, в том числе ресурсные испытания продолжительностью 2000 часов с металлическими электродами ионно-оптической системы.

Применение

Задумывался как транспортное средство для решения большого спектра задач, в том числе для доставки грузов на орбиту вокруг Луны, геостационарную орбиту (ГСО), траектории к планетам Солнечной системы, в том числе к Марсу, а также для выполнения работ по утилизации вышедших из строя спутников и накопившегося мусора на орбите.

Специалисты «Центра имени Келдыша» полагают, что использование модуля позволит снизить стоимость доставки грузов к Луне в 2 раза. А также, что модуль будет выводиться на низкую околоземную орбиту (НОО) с помощью одноразовых ракет-носителей, а вспомогательные блоки будут выводить его на стартовую орбиту высотой не менее 800 км. После того, как ресурс ядерной энергодвигательной установки, который составляет около 10 лет, будет исчерпан, модуль будет переведён на орбиту захоронения.

Бюджет

Общая стоимость работ в 2012 году оценивалась в 5,8 миллиардов руб., стоимость эскизного проекта в 2015 оценивалась в 250 миллионов рублей.

В 2017 году на создание ТЭМ планировалось выделить из бюджета свыше 2,2 млрд рублей.

Стоимость создания технического комплекса для подготовки космических аппаратов с транспортно-энергетическим модулем на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса оценили в 13,2 миллиарда рублей. Подготовка проектной документации будет производится с 2025 по 2026 год, а ввод в эксплуатацию назначен на 2030 год.