Что за атомный двигатель для полета на марс

Ядерный ракетный двигатель

Я́дерный раке́тный дви́гатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги.

Традиционный ЯРД в целом представляет собой конструкцию из нагревательной камеры с ядерным реактором как источником тепла, системы подачи рабочего тела и сопла. Рабочее тело (как правило — водород) подаётся из бака в активную зону реактора, где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу. Существуют различные конструкции ЯРД: твердофазный, жидкофазный и газофазный — соответствующие агрегатному состоянию ядерного топлива в активной зоне реактора — твёрдое, расплав или высокотемпературный газ (либо даже плазма).

В СССР развёрнутое постановление правительства по проблеме создания ЯРД было подписано в 1958 году. Этим документом руководство работами в целом было возложено на академиков М. В. Келдыша, И. В. Курчатова и С. П. Королёва [2] [3] . К работам были подключены десятки исследовательских, проектных, конструкторских, строительных и монтажных организаций. ЯРД активно разрабатывались КБХА в Воронеже и испытывались в СССР (см. РД-0410) и США (см. NERVA) с середины 1950-х годов. Исследования продолжаются и в 21-м веке [4] .

Ядерный двигатель для космического корабля

По словам главы USNC-Tech Майкла Идса (Michael Eades), ядерный двигатель будет более эффективен для полетов на дальние планеты, чем химический двигатель. Как минимум, он позволит быстро преодолевать большие расстояния, сжигая меньше топлива. Использование меньшего количества топлива должно заметно снизить стоимость космических полетов. А быстрый полет сократит время воздействия космической радиации на организмы членов экипажа корабля. Люди еще ни разу не летали на далекие планеты. Но считается, что космическая радиация может вызвать лучевую болезнь, повысить риск возникновения рака в течение жизни и разрушить нервную систему человека.

К тому же, быстрый полет повышает вероятность успеха миссии:

Чем дольше люди будут находиться в полете, тем больше вероятность, что что-то пойдет не так, — объяснил Джефф Шихи, главный инженер Управления космических технологий NASA.

Первая частная марсианская миссия

В 2016 году на международном космическом форуме в Мексике основатель SpaceX Илон Маск представил систему межпланетного транспорта, на которой люди смогут отправиться на Марс.

Система состоит из возвращаемой ракеты-носителя, самого космического корабля и танкера для дозаправки на орбите Земли. После запуска многоразовой ракеты с космическим кораблем с людьми и грузом на орбиту, ракета возвратится обратно на Землю за топливом, которое затем доставит обратно на корабль. Такая процедура будет проделана несколько раз, пока на корабле не будет достаточно топлива.

По мнению Маска, для колонизации нужен 1 млн добровольцев. Изначально планировалось, что одна ракета в течение нескольких десятков лет доставит на Марс необходимое количество людей. Но в 2020 году планы изменились: теперь Маск планирует построить 1 тыс. ракет. По плану предпринимателя, они и займутся доставкой колонизаторов и груза.

В одной ракете помещается 100 человек и 100 т груза. План по заселению Марса Маск планирует реализовать к 2050 году. Добровольцы, по словам главы SpaceX, должны быть готовы умереть, потому что эта миссия крайне опасна.

Стоимость отправки одного человека составляет $10 млрд. Маск понимает, что это очень дорого, поэтому стоимость билета будет $200 тыс. В феврале 2021-го SpaceX привлекла $850 млн в результате долевого финансирования. Месяцем ранее, став ненадолго самым богатым человеком планеты, бизнесмен сказал, что продает все свое имущество, чтобы иметь больше средств для реализации проекта.

Лететь планируется на ракетах Starship, двигатель для которой был успешно протестирован в июле 2019 года. Следом начались испытания самого аппарата. Все попытки были неудачными. Ракеты взрывались или разбивались. 4 марта 2021 года прошли очередные испытания. Аппарат смог подняться на высоту 10 км и вернуться на посадочную стойку. Через несколько минут он взорвался.

Тепловая тяга на Западе

Если Россия пошла по пути создания ядерной энергодвигательной установки, то в США изучают привлекательность ядерной тепловой тяги. По мнению специалистов американского аэрокосмического агентства NASA, сегодняшние достижения в области материалов и разработки реакторов дают стимул для оценки перспективности этой технологии. Ведь ядерные двигатели на ракетах видели не только фантасты — сами специалисты NASA еще в 1961 году совместно с Комиссией по атомной энергии начали реализацию программы «Ядерный двигатель для ракетных транспортных средств» (NERVA).

Два года назад Дойс Митчелл, руководитель перспективного проекта ядерной тепловой тяги в Центре космических полетов имени Джорджа Маршалла, рассказывал, что ядерная двигательная установка способна в два раза сократить время на транзит между Марсом и Землей, и для миссии необязательно будет поджидать момент, когда обе планеты будут в наиболее благоприятных положениях друг относительно друга. Сокращение длительности полета уменьшит воздействие радиации и микрогравитации на пассажиров.

К тому же, по мнению представителей департамента энергетики США, ракеты на ядерной тепловой тяге в два раза эффективнее существующих химических ракет. Удельный импульс последней, сжигающей водород и жидкий кислород, оценивают в 450 секунд, для ядерных ракет этот показатель оценочно достигает 900 секунд.

НАСА: проложить путь людям на Марс может лишь ракета с ядерным реактором

На днях на Хабре публиковалась статья о сложностях высадки марсохода на поверхность Красной планеты. Если кратко, то рассчитать и реализовать эту высадку — чудовищно сложно. Еще сложнее организовать доставку на Марс людей — колонистов или космонатов-исследователей. Но если говорить о регулярном сообщении с Красной планетой, то проблема выходит на новый уровень.

Основная проблема — в отсутствии надежного транспортного средства. Сейчас идет подготовка ракеты и корабля от SpaceX, но до реального полета на Марс может пройти (и скорее всего, пройдет) несколько лет. Причем реактивная тяга такой ракеты образуется в результате сжигания жидкого топлива. А по мнению НАСА, ракеты на жидком топливе — не самый эффективный вид транспорта, нужны ядерные системы.

Топливо для ракет очень дорогое, а по словам представителей НАСА, для полета на Марс понадобится от 1000 до 4000 тонн топлива. Это несколько миллиардов долларов США за пуск (хотя, помнится, Маск говорил, что топливо — это всего 5% стоимости всего пуска). Правда, все сказанное относится к ракете самого агентства, которая называется Space Launch System. Она разрабатывается уже много лет, и пока что свет в конце туннеля этого проекта не появился.

Тем не менее, расчеты по полету на Марс с использованием сверхтяжелой ракеты-носителя SLS у НАСА есть. И эти расчеты показывают, что один пуск обойдется в $2 млрд. И это вроде только стоимость топлива. 10 пусков, которые нужны для отправки достаточного для основания небольшой станции полезного груза, обойдутся в $20 млрд.

По мнению представителей НАСА, более эффективный способ запуска — это ядерные ракеты.

Космический транспорт на ядерной тяге

Специалисты агентства подготовили отчет, в котором говорится, что для реализации миссии по отправке человека на Марс в 2039 году требуется именно ядерный транспорт.

«Один из ключевых моментов путешествия на Марс в том, что если мы хотим отправлять людей регулярно, то наиболее удобный путь — это как раз ракеты на ядерной тяге», — заявил Бобби Браун, представитель Jet Propulsion Laboratory.

К сожалению, в отчете не указывается конкретная технология — авторов документа и не просили это делать. В общих чертах описано, что есть два варианта — ядерная тепловая силовая установка и ядерная электродвигательная силовая установка. НАСА, насколько можно понять, отдает предпочтение первому варианту.

Ядерная система требует гораздо меньше топлива — около 500 тонн вместо 4000, уже упоминавшихся выше. Если говорить об эксплуатации такой системы, то, по мнению агентства, расходы будут ниже, чем в случае эксплуатации топливной ракеты.

И что теперь?

В отчете говорится, что если НАСА планирует использовать ракеты на ядерной тяге через 10-15 лет, то разработку соответствующих технологий нужно начинать уже сейчас. Все это несколько странно, поскольку ранее агентство очень активно продвигало идею полетов на SLS. Сейчас эту ракету-носитель предлагается использовать для полетов на Луну.

Самое интересное в проекте то, что средства на него НАСА не запрашивала, но Конгресс США все равно выделил средства. Причем в этом году агентство получило сразу $110 млн именно на исследование возможностей ядерных систем запуска.

Если НАСА решит все же развивать это направление и дальше, то средств понадобится еще больше. Тем не менее, агентство считает, что справится со всеми проблемами. «Это технологический проект, для работы над которыми и было создано НАСА, так что вся страна ждет от нас результатов», — заявил Браун.

А что Starship?

Несмотря на проблемы, топливная ракета-носитель Starship, разрабатываемая SpaceX, постепенно эволюционирует. Результаты испытаний дают надежду на то, что в течение нескольких лет ракета сможет отправить людей и оборудование на Марс.

Да, топлива понадобится много, но если рейсы станут регулярными, то компания Маска планирует создать нечто вроде промежуточной заправочной станции на низкой орбите Земли. Другие ракеты-носители станут доставлять в определенные точки горючее, которым заправят уже ракеты, отправляющиеся на Марс.

Представители НАСА при этом считают, что у проекта Маска есть все шансы на реализацию, так что два параллельных сценария полета на Красную планету — это хорошо.

Реальна ли ядерная ракета в ближайшем обозримом будущем?

Честно говоря, вряд ли. Скорее всего, этот отчет — просто чисто теоретическое изыскание, которое не получит продолжения, по крайней мере, сейчас. Дело в том, что даже с отработанной технологией двигателей на жидком топливе у НАСА проблемы.

Та же ракета-носитель SLS уже давно вызывает вопросы не только у обычных людей, но и у правительства США. Проект стоит огромную кучу денег, на проект SLS НАСА тратит в год примерно столько, сколько хватило бы на 15-20 пусков Falcon Heavy. Эта ракета отъедает весьма изрядную долю бюджета агентства, речь идет о миллиардах и миллиардах долларов.

В 2018 году НАСА попыталось рассказать о том, насколько полезной будет эта ракета. Дескать, она может выводить на орбиту «цельные грузы большой массы» за раз. Другие ракеты вроде бы так делать не могут. И все бы хорошо, но это просто слова, поскольку плана эксплуатации SLS пока нет — просто потому, что и такие вот «цельные» грузы пока выводить на орбиту не требуется.

И, повторимся, речь идет о технологии, которой уже несколько десятков лет. Да, конечно, сверхтяжелая ракета отличается от всего того, что использовало НАСА ранее, но разница не кардинальная.

А в случае ядерных ракет мы говорим о совершенно новых технологиях, которые разрабатывались ранее лишь в порядке чисто теоретических проектов. Проблемой будет даже создание относительно небольшой ракеты на ядерной тяге для полетов на орбиту. Сложно представить, сколько средств, ресурсов и времени понадобится для того, чтобы с нуля создать огромную ракету с ядерным реактором для полета на Марс. $110 млн, которые получило НАСА на проработку этого направления — просто капля в море. Полный бюджет проекта будет таким, что не то, что у НАСА, у всей страны денег не хватит.

И нельзя забывать о временных рамках — та же SLS разрабатывается много лет, сроки постоянно срываются, переносятся и т.п. И до сих пор ракета никуда полететь не может — буквально месяц назад SLS тестировали, проводя огневые испытания, но те прошли неудачно. Спустя минуту двигатели отключились из-за отказа одного из них.

Так что ядерные ракеты пока так и останутся красивой теорией. А если у Маска все пройдет хорошо, и его проект по полету на Марс будет реализован, то и необходимости в «ядерных полетах», скорее всего, уже не будет.

marafonec

Бег на месте к горизонту

Дотянет ли ядерный буксир до Марса?

28.03.2016/http://lifenews.ru/news/193277
Журналист Александр Березин — о перспективах российского межпланетного буксира с ядерным двигателем.

Последние несколько месяцев одно за другим появляются сообщения о межпланетном буксире с ядерным реактором и ионным двигателем, который с 2009 года разрабатывается совместно Роскосмосом и Росатомом. 21 марта были обнародованы и данные о первой приёмке тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) — стержней с топливом — для такого «космического» реактора.
В прессе этот проект часто подается как нечто невиданное. Как решающий прорыв, способный разрешить все проблемы человечества на пути к Марсу. Технические специалисты идут ещё дальше и говорят: «Космические ядерные энергодвигательные установки сейчас возможны только в России». Так ли это и зачем вообще нужен проект такого рода на фоне огромного количества обычных ракет, не связанных с опасностью запуска радиоактивных материалов в космос?

Сразу после первых пусков ракет на химическом топливе в 1950-х к их конструкторам по всем миру пришло понимание: далеко на таком виде транспорта в космос не забраться. Энергия, которую ракетные двигатели могут придать космическим аппаратам, связана с массой затрачиваемого топлива и квадратом скорости его истечения. «Химические» ракеты всех мыслимых типов не могут выбрасывать горящее топливо быстрее считаных километров в секунду. Поэтому в их стартовой массе топливо занимает от 95 процентов и более. Даже для полета к Луне пришлось создать ракету массой в тысячи тонн, что сделало экспедиции к ней безумно дорогими и по сути невоспроизводимыми по экономическим причинам. Более далёкие пилотируемые полёты на такой основе будут куда разорительнее.

Электрический ракетный двигатель (ЭРД) в этом плане куда перспективнее. Он способен разгонять ионизированные частицы реактивной струи до десятков километров секунду. Поэтому массу топлива, выбрасываемого в такую струю, можно понизить в десятки и более раз. Однако для работы ему требуется источник энергии, причём солнечные батареи для этого подходят слабо, поскольку их мощность падает пропорционально квадрату расстояния от Солнца и даже на орбите Марса они очень слабы. Из-за всего этого для полёта на большие расстояния логичнее сделать ставку на транспортные ядерные реакторы.

Фактически у человечества просто нет выбора: Homo Sapiens придётся или запускать в космос ядерный реактор, или отказаться от полётов на другие планеты, потому что чистая «химия» для этого технически непригодна. Вопрос стоит не в том, полетит ли корабль с ядерным реактором, а в том, когда это случится и чей флаг будет на его борту.

Всё это было достаточно очевидным уже в начале космической эры. Поэтому еще в 1960-х в СССР был проработан детальный проект межпланетного космического корабля с ядерным реактором мощностью 7 мегаватт на борту.

При помощи сверхтяжёлой ракеты на орбиту предполагалось вывести части для сборки реактора. Чтобы не перетяжелить корабль, защита от разлетающихся нейтронов планировалась только на корме двигателя, обращённой к обитаемому модулю с космонавтами («теневая защита»). Поскольку охладить реактор в космосе водой нельзя, для теплоотвода предполагалось использовать тонкие металлические радиаторы площадью в сотни метров. За реактором и радиаторами располагались модули с топливом для посадки и взлёта на другие планеты.

Политика убила советский «марсианский» проект. После того как Кеннеди начал лунную гонку, Хрущёв приказал переориентироваться на полёт к Луне, который в итоге так и не состоялся. Портативные реакторы использовались СССР только для обеспечения питания военных спутников.

Тем не менее научный задел по межпланетным кораблям никуда не делся, и в 2006 году Российская академия космонавтики имени К.Э. Циолковского выпустила книгу «Пилотируемая экспедиция на Марс», в которой обсчитывались возможные параметры межпланетных миссий. В ней делался логичный вывод, что ядерный буксир на ЭРД — лучший выбор для таких полётов, а нужная мощность его бортового реактора должна быть не меньше 15 мегаватт. В этом случае общая масса корабля на четырёх космонавтов не превысила бы 500 тонн (чуть больше, чем у МКС).

Комиссия по модернизации при президенте России в 2009 года утвердила что-то вроде демонстрационного образца атомного буксира. Вместо 15 мегаватт его реактор будет иметь всего лишь один мегаватт мощности. Он не сможет доставить людей на другую планету, но будет вполне пригоден для буксировки космических аппаратов с низкой околоземной орбиты к Луне и обратно.

Сам реактор предполагается довольно необычным (газофазным) и будет работать на быстрых нейтронах. Тепло от стержней ТВЭЛов с высокообогащенными соединениями урана будет отводить смесь гелия и ксенона. Затем нагретый газ-теплоноситель приведёт в действие турбину, вырабатывающую электроэнергию, а остаточное низкопотенциальное тепло рассеется через панельные радиаторы. Охлаждённый газ после этого вновь поступит в реактор, и цикл повторится снова.

Главный недостаток такого решения — это то, что урана-235 в топливной смеси будет не меньше 20 процентов. В случае аварии при взлёте он неизбежно попадёт в атмосферу. Впрочем, опасность такого сценария оценивается как умеренная. Главную угрозу при авариях реакторов представляет не сам уран, а быстроделящиеся продукты распада, которых космическая транспортный реактор просто не успеет отработать. Кроме того, мегаваттный реактор попросту очень мал, чтобы содержать значительную массу радиоактивного материала. Собственно, в советскую эпоху военные спутники с реакторами на борту уже падали на Землю и катастрофического радиоактивного загрязнения из-за этого не произошло.

Кроме того, использование такого «заряженного» топлива приведёт к очень высокой рабочей температуре систем реактора. Материалы для его ТВЭЛов делают из специально созданного сплава на основе молибдена. При этом проектная стойкость нового материала позволит реактору непрерывно работать до 100 000 часов — достаточно, чтобы долететь до Плутона.

К 2017 — 2018 годах опытный образец реактора для глубокого космоса должен быть собран, а его системы испытаны в Сосновом Бору. К 2025 году проект, предположительно, будет готов к испытательному полёту.

Руководство Росатома не скрывает, что конечная цель космического буксира куда масштабнее полетов к Луне. Его глава прямо заявляет: «Сегодняшние космические установки позволяют долететь до Марса за полтора года без возможности вернуться обратно. Установка с ядерным двигателем позволит долететь до Марса за месяц-полтора и вернуться обратно». Быстрота в дальних космических полётах важна ещё и потому, что за год-два полёта космонавты, по расчётам, получат больше ионизирующей радиации, чем допускают сегодняшние нормы.

Отметим, что пока российские наработки по ядерному реактору находятся на переднем крае научно-технического развития. Американские госструктуры на данный момент испытывают трудности даже с обычными химическими ракетами. Опыты США в области ядерных космических двигателей хотя и стоили два миллиарда долларов, были свёрнуты ещё в 1970-х. На сегодня даже они не могут быть воспроизведены в сжатые сроки. Среди прочего, для этого требуется строительство масштабной инфраструктуры. С учётом типичной для США стоимости космических программ даже более скромных масштабов, трудно представить себе, что американские власти без давления извне решатся на реализацию чего-то подобного.

Хотя проект первого в истории межпланетного атомного буксира в данный момент строго укладывается в график, это, к сожалению, не гарантирует, что он когда-либо будет использован для полётов в дальний космос. Пока стоимость НИОКР по буксиру по мировым меркам ничтожна — 17 миллиардов рублей до 2018 года. США на разработку рядовой химической ракеты SLS уже потратили, по разным оценкам, от 11 до 19 миллиардов долларов.

Однако аппарат, создававшийся в контексте будущих полётов к Луне, может остаться невостребованным. На сегодняшний момент Роскосмос не планирует создания лунной базы в обозримом будущем. Остаётся полёт к Марсу, но для него требуется корабль с куда более мощным реактором. При переходе от НИОКР к постройке полномасштабного, а не экспериментального буксира расходы резко вырастут.

К тому же даже мегаваттный по мощности реактор для космического корабля и связанные с ним системы — сложное, многотонное изделие. Даже несмотря на то, что он намного дешевле любых других средств для дальних перелётов, его реализация потребует миллиардов долларов. Конечно, на фоне программы шаттлов, стоившей как полёты на Луну, эта цифра может показаться незначительной, однако и финансовые возможности России и США находятся на несоизмеримом уровне.

Практически все наблюдатели серьёзно сомневаются в том, что у России, находящейся сегодня не в лучшей экономической форме, могут найтись ресурсы для строительства и полноценного использования ядерного буксира. Напомним, сегодня Роскосмос получает в год меньше бюджетных средств, чем ФСИН. Даже в советское время, когда ситуация с финансированием космоса была несколько лучше, высшее политическое руководство так и не решилось на строительство такого аппарата.

В 2015 году вице-премьер Рогозин прямо озвучил сходную точку зрения: «Надо разобраться, зачем нам лететь на Луну и Марс. Амбиции полезны, но сейчас надо деньги экономить». Определённо, если страна, экономящая деньги, рассматривает полёт на Марс как «амбиции», а не как осмысленную научную задачу, реализации такого полёта на практике можно и не дождаться.

В момент старта программы в 2009 году затраты на неё не казались такой уж серьёзной проблемой. Один из функционеров NASA — Эдвард Кроули прямо говорил, что возможно некое сотрудничество между США и Россией, например, с целью совместного полёта к Марсу на российском ядерном буксире. Понятно, что в случае, если бы США взяли на себя значительную часть расходов, российская сторона смогла бы вывести его на орбиту и подготовить к полёту. В конце концов, именно по такой схеме («ваши деньги — наши ракеты») американские астронавты, пока не имеющие своих кораблей, попадают на МКС. Что мешает скопировать этот подход в отношении межпланетных перелётов?

К сожалению, на сегодня перспективы сотрудничества Россия — США весьма и весьма туманны. В силу известного противостояния, обострившегося с 2014 года, сейчас за океаном людей увольняют с работы просто за добрые слова о российских ракетных двигателях. Как в таких условиях можно ждать сотрудничества на куда более важном направлении, не вполне ясно.

Добавлю, что дело не только о чисто политическом противостоянии. Значительная часть американских элит считает Россию чем-то вроде огромного хуссейновского Ирака, автократией в стадии упадка и загнивания. Для нас это звучит скорее забавно, однако для западного мира это совершенно нормальная позиция. Всё это делает сомнительным тесное сотрудничество, которое необходимо для того, чтобы реализовать полёт к Марсу.

Таким образом, вполне продуманный и наиболее реалистичный из существующих проектов средств дальних космических полётов имеет серьёзный недостаток: у него не просматривается понятных источников финансирования. Россия может создать и испытать экспериментальный атомный космический буксир в запланированный срок, но хватит ли у неё после этого средств на самостоятельные дальние космические полёты — на данный момент не очевидно.

Ядерный ракетный двигатель строят для полетов на Марс. Чем он опасен?

NASA разработает ядерный двигатель для быстрого полета на Марс. Ракеты с ядерными двигателями будут более мощными и вдвое более эффективными, чем с химическими, которые используются сегодня. Рассказываем подробнее о разработке, как быстро она будет передвигаться и чем опасна.

Что такое ядерный ракетный двигатель?

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги.

Традиционный ЯРД в целом представляет собой конструкцию из нагревательной камеры с ядерным реактором как источником тепла, системы подачи рабочего тела и сопла. Рабочее тело (как правило — водород) подается из бака в активную зону реактора, где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу.

Существуют различные конструкции ЯРД: твердофазный, жидкофазный и газофазный — соответствующие агрегатному состоянию ядерного топлива в активной зоне реактора — твердое, расплав или высокотемпературный газ (либо даже плазма).

Твердофазный ядерный ракетный двигатель

В твердофазных ЯРД (ТфЯРД) делящееся вещество, как и в обычных ядерных реакторах, размещено в сборках-стержнях (ТВЭЛах) сложной формы с развитой поверхностью, что позволяет эффективно нагревать газообразное рабочее тело (обычно — водород, реже — аммиак), одновременно являющееся теплоносителем, охлаждающим элементы конструкции и сами сборки.

Температура нагрева ограничена температурой плавления элементов конструкции (не более 3000 К). Удельный импульс твердофазного ЯРД, по современным оценкам, составит 850–900 с, что более чем вдвое превышает показатели наиболее совершенных химических ракетных двигателей.

Наземные демонстраторы технологий ТфЯРД в ХХ веке были созданы и успешно испытаны на стендах (программа NERVA в США, РД-0410 в СССР).

Газофазный ядерный ракетный двигатель

Газофазный ядерный реактивный двигатель (ГЯРД) — концептуальный тип реактивного двигателя, в котором реактивная сила создаётся за счёт выброса теплоносителя (рабочего тела) из ядерного реактора, топливо в котором находится в газообразной форме или в виде плазмы. Считается, что в подобных двигателях удельный импульс составит 30–50 тыс. м/с.

Перенос тепла от топлива к теплоносителю достигается в основном за счет излучения, большей частью в ультрафиолетовой области спектра (при температурах топлива около 25 000 °C).

Ядерный импульсный двигатель

Атомные заряды мощностью примерно в килотонну на этапе взлета должны взрываться со скоростью один заряд в секунду. Ударная волна — расширяющееся плазменное облако — должна была приниматься «толкателем» — мощным металлическим диском с теплозащитным покрытием и потом, отразившись от него, создать реактивную тягу.

Импульс, принятый плитой толкателя, через элементы конструкции должен передаваться кораблю. Затем, когда высота и скорость вырастут, частоту взрывов можно будет уменьшить. При взлете корабль должен лететь строго вертикально, чтобы минимизировать площадь радиоактивного загрязнения атмосферы.

В США космические разработки с использованием импульсных ядерных ракетных двигателей осуществлялись с 1958 по 1965 год в рамках проекта «Орион» компанией «Дженерал Атомикс» по заказу ВВС США.

По проекту «Орион» проводились не только расчеты, но и натурные испытания. Летные испытания моделей летательного аппарата с импульсным приводом (для взрывов использовалась обычная химическая взрывчатка).

Были получены положительные результаты о принципиальной возможности управляемого полёта аппарата с импульсным двигателем. Также для исследования прочности тяговой плиты проведены испытания на атолле Эниветок.

Во время ядерных испытаний на этом атолле покрытые графитом стальные сферы были размещены в 9 м от эпицентра взрыва. Сферы после взрыва найдены неповрежденными, тонкий слой графита испарился (аблировал) с их поверхностей.

В СССР аналогичный проект разрабатывался в 1950–1970-х годах. Устройство содержало дополнительные химические реактивные двигатели, выводящие его на 30–40 км от поверхности Земли. Затем предполагалось включать основной ядерно-импульсный двигатель.

Основной проблемой была прочность экрана-толкателя, который не выдерживал огромных тепловых нагрузок от близких ядерных взрывов. Вместе с тем были предложены несколько технических решений, позволяющих разработать конструкцию плиты-толкателя с достаточным ресурсом. Проект не был завершен. Реальных испытаний импульсного ЯРД с подрывом ядерных устройств не проводилось.

Ядерная электродвигательная установка

Ядерная электродвигательная установка (ЯЭДУ) используется для выработки электроэнергии, которая, в свою очередь, используется для работы электрического ракетного двигателя.

Подобная программа в США (проект NERVA) была свернута в 1971 году, но в 2020 году американцы вновь вернулись к данной теме, заказав разработку ядерного теплового двигателя (Nuclear Thermal Propulsion, NTP) компании Gryphon Technologies для военных космических рейдеров на атомных двигателях для патрулирования окололунного и околоземного пространства, также с 2015 года идут работы по проекту Kilopower.

С 2010 года в России начались работы над проектом ядерной электродвигательной установки мегаваттного класса для космических транспортных систем (космический буксир «Нуклон»). На 2021 год ведется отработка макета; к 2025 году планируется создать опытные образцы данной ядерной энергоустановки; заявлена плановая дата летных испытаний космического тягача с ЯЭДУ — 2030 год.

Мощность

По оценкам А. В. Багрова, М. А. Смирнова и С. А. Смирнова, ядерный ракетный двигатель может добраться до Плутона за 2 месяца и вернуться обратно за 4 месяца с затратой 75 тонн топлива, до Альфы Центавра за 12 лет, а до Эпсилона Эридана за 24,8 года.

Ядерный двигатель опасен?

Основным недостатком является высокая радиационная опасность двигательной установки:

• потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях;
• вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов;
• истечение радиоактивных газов с рабочим телом.

Использование открытия российских ученых в гражданском секторе тесно связано с безопасностью ядерной силовой установки. Нужно было обеспечить безопасность его выхлопа.

Защита малогабаритного ядерного двигателя меньше, чем у большего по размерам, поэтому нейтроны будут проникать в «камеру сгорания», тем самым с некоторой вероятностью делая радиоактивным все вокруг.

Азот и кислород имеют радиоактивные изотопы с малым временем полураспада и не опасны. Радиоактивный углерод вещь долгоживущая. Но есть и хорошие новости.

Радиоактивный углерод образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей. Но главное, концентрация углекислого газа в сухом воздухе составляет всего 0,02÷0,04%.

Учитывая же, что процент углерода, становящийся радиоактивным, величина еще на несколько порядков меньшая, предварительно можно считать, что выхлоп ядерных двигателей не более опасен, чем выхлоп ТЭЦ, работающей на угле.

Собираются ли использовать ядерный двигатель для новейших полетов в космос?

Да, в начале февраля стало известно, что NASA проведет тестирование новейшего ядерного двигателя для полетов на Марс. Ожидается, что с его помощью можно будет добраться до Красной планеты всего лишь за три месяца.

В последние годы ученые и инженеры NASA и других космических агентств мира активно обсуждают планы по постройке постоянных обитаемых баз на поверхности Луны и Марса.

• В чем его преимущества?

Главным ключом к обеспечению их автономности и удешевлению постройки специалисты NASA считают технологии трехмерной печати, позволяющие использовать воду и местные ресурсы — почву, горные породы и газы из атмосферы — для постройки зданий базы прямо на месте.

Подобные принтеры, как показывают опыты на борту МКС и на Земле, позволяют напечатать почти все необходимое для жизни колонистов на Марсе, за исключением одного, самой главного компонента базы — источника питания, чья мощность была бы достаточной для обеспечения работы самого 3D-принтера, а также питания и обогрева всей базы.

В рамках подготовки NASA к высадке на Марс в 2035 г. американская компания Ultra Safe Nuclear Technologies (USNT) из Сиэтла предложила свое решение — ядерный тепловой двигатель (NTP)

• Каким будет ядерный двигатель?

USNT предлагает классическое решение — ядерный двигатель с использованием сжиженного водорода в качестве рабочего тела: ядерный реактор вырабатывает тепло из уранового топлива, эта энергия нагревает жидкий водород, проходящий по теплоносителям, который расширяется в газ и выбрасывается через сопло двигателя, создавая тягу.

Одна из основных проблем при создании такого типа двигателей — найти урановое топливо, которое может выдерживать резкие колебания температуры внутри двигателя. В USNT утверждают, что решили эту проблему, разработав топливо, которое может работать при температурах до 2 400 градусов Цельсия.

Топливная сборка содержит карбид кремния: этот материал, используемый в слое триструктурально-изотропного покрытия, образует газонепроницаемую преграду, препятствующую утечке радиоактивных продуктов из ядерного реактора, защищая космонавтов.

• Безопасность

Кроме того, для защиты экипажа и на случай непредвиденных ситуаций ядерный двигатель не будет использоваться во время старта с Земли — он начнет работу уже на орбите, чтобы минимизировать возможные повреждения в случае аварии или нештатной работы.

Необходимо и достаточно

В настоящее время всё это выглядит фантастикой, но до тестирования прототипа, как утверждают ученые, остаются считаные годы. Главное, что требуется, это не только завершить разработку, но и сохранить в стране необходимый уровень космонавтики. Даже при падении финансирования должны продолжать взлетать ракеты, строиться космические аппараты, работать ценнейшие специалисты.

Иначе один атомный двигатель без соответствующей инфраструктуры делу не поможет, для максимальной эффективности разработку будет очень важно не просто продать, но использовать самостоятельно, показав все возможности нового космического транспортного средства.

Пока же всем жителям страны, не завязанным на работе, остается только посматривать на небо и надеяться, что у российской космонавтики всё получится. И ядерный буксир, и сохранение нынешних возможностей. В другие исходы и верить не хочется.