За новыми горизонтами - Дэвид Гринспун

Для запуска «Новых горизонтов» была выбрана самая мощная версия «Атласа V», имеющая цифровое обозначение 551. Первая ступень этого монстра имеет высоту 32 м и 3,81 м в диаметре. На ней установлен мощный двигатель, построенный в России[17], внутри которого сгорают жидкий кислород и керосин. К первой ступени крепятся пять гигантских твердотопливных ракетных ускорителей, которые начинают работать одновременно с ней. Вместе им предстояло разогнать «Новые горизонты» (и верхние ступени ракеты) до гиперзвуковой скорости, превышающей 16 000 км/ч. В качестве второй ступени используется разгонный блок «Центавр». Он имеет высоту 13 м и дает тягу 10,1 т. На второй ступени стоит американский двигатель компании Aerojet Rocketdyne RL-10. Особенно важно, что «Центавр» можно запустить и остановить несколько раз, для того чтобы направить «Новые горизонты» на верный курс к Юпитеру.

«Центавр» и «Новые горизонты» венчал обтекатель ракеты, то есть носовой конус, разработанный для того, чтобы защитить аппарат от мощного напора, возникающего из-за набегающего воздушного потока во время старта. Для «Новых горизонтов» заказали самый легкий носовой конус, который позволял сэкономить вес и еще больше улучшить характеристики запуска «Атласа V» в конфигурации 551.

Тем не менее даже этой максимальной конфигурации ракеты-носителя было недостаточно, чтобы отправить «Новые горизонты» в путешествие к Плутону. «Центавр» мог поднять аппарат на околоземную орбиту, а затем отправить его на траекторию, позволяющую добраться до пояса астероидов за орбитой Марса. Но чтобы достичь рабочих характеристик, дающих возможность добраться до Юпитера, а затем — до Плутона, было необходимо добавить к «Атласу V» построенную по заказу третью ступень. Команда «Новых горизонтов» выбрала чрезвычайно надежную, хорошо себя показавшую твердотопливную ракетную ступень под названием STAR 48. Эта ступень, которая работала всего 82 секунды, должна была создать ускорение почти в 14 g и, таким образом, сделать «Новые горизонты» самым быстрым космическим аппаратом, когда-либо запущенным людьми, способным достичь орбиты Луны в десять раз быстрее, чем «Аполлоны», и лететь с этой скоростью почти десять лет, чтобы преодолеть 4,8 млрд км до Плутона.

Как можно обеспечить электричеством космический аппарат, которому предстоит путешествовать по крайней мере десять лет и так далеко отойти от Солнца, что до этого места доходят только тысячные доли того света, который мы получаем на Земле? Солнечные батареи там не будут работать, а никакой аккумулятор не является достаточно мощным и легким, чтобы проработать в течение десяти лет. Но при естественном радиоактивном распаде плутония (элемента, который был открыт в 1940 г. и назван в честь Плутона) тепло выделяется без сбоев, и оно может быть превращено в электричество. Именно по этой причине термоэлектрические генераторы с плутониевым топливом являются оптимальным выбором источников питания для межпланетных экспедиций в глубокий космос, к самым отдаленным от Солнца планетам. Но в использовании работающего на плутонии генератора есть свои сложности. Некоторые из них относятся к техническим проблемам, другие — к политическим или нормативно-правовым.

В 1960-е гг. NASA совместно с министерством энергетики и министерством обороны довело до совершенства, проверило и использовало в полетах множество плутониевых источников питания как раз для этой цели. Эти устройства называются радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (сокращенно — РИТЭГ). РИТЭГ имеет цилиндрическую форму и по размеру примерно такой же, как металлическая бочка для нефтепродуктов; поскольку плутоний выделяет очень много тепла, РИТЭГ снабжен охлаждающими ребрами. Генератор выполняет две очень важные задачи: во-первых, служит источником энергии для космического аппарата, а, во-вторых, должен сохранить внутри весь запас плутония на случай, если во время старта произойдет авария.

В РИТЭГ плутоний используется в виде маленьких таблеток, изготовленных из диоксида плутония. Эти таблетки, в свою очередь, заключены в прочный корпус из иридия, покрытый оболочкой из графита.

Генератор получает тепло при радиоактивном распаде плутония, и это тепло превращается в ценную электроэнергию с помощью простых, не имеющих каких-либо движущихся деталей приспособлений под названием «термопары». У термопары две стороны: одна из них горячая и находится внутри РИТЭГ, а другая, внешняя, соприкасается с космосом и охлаждается. Температурная разница между ними создает электрический ток, питающий космический аппарат. РИТЭГ «Новых горизонтов» выделяет примерно 5 кВт тепла, и на момент старта аппарата производил из этого тепла примерно 250 Вт электричества.

РИТЭГ чрезвычайно надежен и может использоваться в течение многих десятилетий. Процесс производства электричества в нем протекает равномерно, хотя постепенно мощность агрегата снижается. Это сокращение мощности связано со временем радиоактивного полураспада плутония. Для «Новых горизонтов» электрическая мощность РИТЭГ на момент старта, как уже было сказано, составляла 250 Вт, и за десять лет пути до Плутона она снизилась примерно до 200 Вт.

В 2001 г., когда NASA объявило конкурс проектов экспедиций для исследования Плутона, агентству принадлежали два резервных РИТЭГ, оставшихся от подготовки АМС «Галилео», отправившейся к Юпитеру, и АМС «Кассини», отправившейся к Сатурну. NASA предложило обеспечить победителя конкурса на полет к Плутону одним из этих двух РИТЭГ.

После того как был выбран один из этих запасных РИТЭГ для «Новых горизонтов», его должны были демонтировать и полностью проверить (в конце концов, генератор провел на складе целых десять лет), а потом собрать обратно. Подрядчиком в восстановлении РИТЭГ была компания Lockheed Martin. Затем Национальная лаборатория министерства энергетики в Лос-Аламосе подготовила плутониевые таблетки в качестве топлива для генератора.

Одновременно с этой процедурой предпринимались тщательно проработанные шаги, через которые проходят все экспедиции, где используются РИТЭГ, для того чтобы снизить вероятность какого-либо происшествия во время пуска. Эти шаги включали подготовку заявления о комплексном экологическом воздействии на окружающую среду, где перечислялись все риски и показывалось, что они сведены к минимуму. Напряженный процесс получения одобрения на старт затрагивал 42 государственных и федеральных агентства, вплоть до Госдепартамента и Белого дома.

Этой сложной процедурой руководил Глен Фонтейн. Глен:

Использование РИТЭГ решало проблему того, как обеспечить аппарат электроэнергией так далеко от Солнца, но также ставило сложные инженерные задачи для конструкторов «Новых горизонтов».

Например, РИТЭГ достаточно тяжел, он имеет массу более 55 кг. Поэтому во время пуска устройство, фиксирующее его, должно было выдержать его вес, умноженный на перегрузку во время работы ракетных ступеней, которая достигала 14 g, то есть вес становится в 14 раз больше, чем в нормальном состоянии, на поверхности Земли. Таким образом, узлу предстояло выдержать нагрузку, в 14 раз превышающую обычный вес РИТЭГ. Эта трудная задача становилась еще сложнее из-за тепла, выделяемого генератором и ослабляющего металл опорной фермы. Поэтому инженеры из команды «Новых горизонтов» должны были разработать ферму достаточно прочной, чтобы выдержать вес РИТЭГ при 14-кратном ускорении даже в том случае, если металл будет горячим.