Цифровой реактор и спутник: как сплав ядерных и ИТ-технологий меняет исследование космоса
Всё больше космические корабли начинают напоминать то, что мы видели в «Звёздных войнах». Ещё немного – и полёты на Луну и даже на Марс перестанут быть чем-то из разряда «далёкой, далёкой галактики».
Космический мирный атом
Россия — абсолютный мировой монополист в разработке энергодвигательной установки с ядерным реактором мегаваттного класса, в которой реактор используется для производства энергии, питающей двигатели. Хотя в последнее время в этом направлении активизировались учёные и инженеры США и Китая.
Проект создания транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки (ЯЭДУ) мегаваттного класса выполняется совместно предприятиями Росатома и Роскосмоса в соответствии с решением, принятым в 2009 году президентской комиссией по модернизации.
Не имеющая (по крайней мере – пока) аналогов энерготранспортная установка позволит создать качественно новую технику высокой энерговооруженности для изучения и освоения дальнего космоса. Новый проект предполагает использование ионных электрореактивных двигателей, в которых реактивная тяга создается за счет ускоренного электрическим полем потока ионов. При использовании космических ядерных энергоустановок можно приступить к решению таких задач, как полет на Марс, детальные исследования планет и их спутников, промышленное производство в космосе. Также можно будет заниматься очисткой околоземного космического пространства от космического мусора, бороться с астероидной опасностью, создавать на планетах автоматизированные базы.
Технология настоящего
Основой ЯЭДУ является реактор на быстрых нейтронах с газовым охлаждением. По заявленным характеристикам, реактор — высокотемпературный, и должен выдерживать нагрев до 1200 градусов Цельсия. Теплоноситель — смесь инертных газов, топливом служит уран. Тепловая мощность реактора – четыре мегаватта, а электрическая – мегаватт.
Большими достоинствами проекта являются практически важные эксплуатационные характеристики — высокий ресурс (10 лет эксплуатации), значительный межремонтный интервал и продолжительное время работы на одном включении.
Без ядерной энергетики полноценное изучение и освоение космоса невозможно. Это наш ключ к масштабным научным миссиям на планеты Солнечной системы и в дальний космос. Кроме того, ядерные реакторы в перспективе станут главным поставщиком энергии как для орбитальных комплексов, так и для обитаемых модулей на Луне и Марсе.
Космический ядерный буксир «Зевс»
В конце 2022 года «Роскосмос» на международном форуме «Атомэкспо-2022» в Сочи представил подробный макет транспортного энергетического модуля (ТЭМ) «Зевс».
«Зевс» — разрабатываемый в России ядерный буксир, который представляет собой космический комплекс с транспортно-энергетическим модулем (ТЭМ) на основе ядерно-энергетической установки.
По замыслу создателей, аппарат будет способен перевозить грузы как на околоземную орбиту, так и к отдаленным планетам Солнечной системы. Кроме того, в его обязанности будут входить работы по утилизации технического мусора, накопившегося на орбите Земли.
Минимальная высота, на которую будет выводить полезную нагрузку ядерный буксир — 800 км. Этой высоты достаточно, чтобы обезопасить нашу планету от радиоактивных остатков в случае аварии на космическом аппарате. Вывод на орбиту будет осуществляться с помощью одноразовых ракет-носителей. Далее аппарат стартует к точке назначения, разгружает полезную нагрузку и, в зависимости от задачи, либо возвращается на околоземную орбиту, либо продолжает свой полет к другим целям в Солнечной системе. Проект «Зевс» - прорывной – он позволит России опередить конкурентов на 5 – 10 лет.
Общая масса ТЭМ «Зевс» превысит 20 тонн: из них 7 тонн придется на реактор, 1 тонна на топливо, масса полезной нагрузки составит порядка 10 тонн. Но если на классических ракетах действует правило, чем дальше от Земли – тем меньше груза можно доставить, то с ядерной энергодвигательной установкой такое правило не работает: Эти 10 тонн можно доставить как на Луну, так и на Нептун. Эксперты подсчитали, что российский буксир за один рейс сможет перевезти груз, который доставляли все экспедиции НАСА к внешней Солнечной системе за последние 30 лет.
Космический рентген
Для осуществления межпланетных перелетов, миссий в дальнем и сверхдальнем космосе необходимы мощные источники энергии для определения местоположения, скорости и ориентации космического аппарата. Один из них – рентгеновские лучи.
Рентгеновские лучи — это тип электромагнитного излучения, обладающий высокой энергией, который используется в медицине для диагностики заболеваний, а также в астрономии для изучения космических объектов. В космосе рентгеновские лучи играют важную роль в исследовании сверхмассовых черных дыр, нейтронных звезд, звездных систем, а также других аномальных явлений, которые невозможно изучить в видимом диапазоне. Они позволяют астрономам заглянуть в те области Вселенной, которые остаются скрытыми для глаз, и раскрыть тайны космоса.
Важным источником рентгеновского излучения являются нейтронные звезды и пульсары — объекты, оставшиеся после взрыва массивных звезд в суперновых. Нейтронные звезды имеют чрезвычайно высокую плотность, и их магнитные поля очень сильны. Когда вещество, в том числе остатки от разрушенных звезд, аккрецирует на поверхность нейтронной звезды, оно сильно нагревается, что вызывает интенсивное рентгеновское излучение.
Пульсары - уникальные источники импульсного излучения, которые могут быть использованы в создании новой системы навигации для космических аппаратов. Учитывая огромные расстояния от Земли, пульсары могут обеспечить хорошее навигационное покрытие всего пространства в Солнечной системе и, возможно, в ее окрестностях.
В дополнение к уже существующим системам, таким как ГЛОНАСС, эта принципиально новая система может увеличить производительность навигационных систем космических полетов. «По аналогии с GPS система может определять позицию с точностью до ~5 км. Преимущество использования рентгеновских сигналов перед радиоволнами заключается в том, что рентгеновские телескопы могут быть меньших размеров и легче.
Российские ИТ-технологии – в космосе
Российская космическая отрасль активно развивает собственные информационные технологии, осуществляя масштабные программы импортозамещения и цифровой трансформации. Если говорить об уникальных технологиях, то в качестве примера можно привести создание единого виртуального баллистического информационного пространства, предназначенного для отображения текущей космической оперативной обстановки. Если сравнивать очень грубо, то это цифровой двойник космоса, в котором проводятся текущие операции управления полетом разнородных космических аппаратов. Это пространство позволяет моделировать движение на разных орбитах, планировать и реализовывать операции с одним аппаратом в составе целой группы с учетом наличия космического мусора.
В России созданы новые технологии управления потоками информации, которыми обмениваются спутники с системой управления полетами. К примеру, технологии телеметрического обеспечения, позволяющие объединять информацию о космических аппаратах, получаемую от различных источников, в одной среде. Так обеспечивается достижение максимальной достоверности данных о состоянии бортовых систем различных спутников. Созданы технологии, позволяющие предоставлять средства локальной вычислительной сети с выходом на каналы связи через российские средства обеспечения безопасности. Реализованы комплексные решения по видеоконференцсвязи, IP-телефонии, средствам телефонной связи, создание и внедрение роботизированных систем космического назначения.
Сюда входят: пилотируемая космонавтика, исследование и освоение космических объектов, обслуживание космических аппаратов на орбите (ремонт, заправка, сборка, увод с орбиты).
В новом базовом Центре управления полетами космических аппаратов будут использовать технологии цифровых двойников и искусственного интеллекта. Система управления предполагает содействие человеку и снижение уровня загруженности человека в рамках реализации самого процесса управления.
Будущее уже наступило
IT-технологии становятся ключевым инструментом для развития космической отрасли, обеспечивая автономность спутников, автоматизацию производства и эффективное управление многоспутниковыми группировками. Рост числа аппаратов на орбите приводит к экспоненциальному увеличению объема данных, обработка которых без ИИ невозможна.
Для полноценного внедрения ИИ необходимо преодолеть ряд рисков и вызовов: нехватку компетенций, риски киберугроз, не до конца проработанную нормативную базу и вычислительную инфраструктуру. Ключевыми инструментами предотвращения и снижения их влияния являются развитие кадрового потенциала в области ИИ, формирование опережающей модели обучения и профессионального развития специалистов, создание межотраслевой системы накопления и тиражирования знаний, с чем Россия на данный момент успешно справляется. На высшем государственном уровне поддерживаются масштабные проекты по развитию космической отрасли и IT-технологий, способствующих развитию этой сферы.
