С мечтами о Марсе в умах как НАСА, так и Илона Маска, предстоящие дальние космические полеты с экипажем приближаются. Но вы можете быть удивлены, узнав, что современные ракеты летают не намного быстрее, чем ракеты прошлого.
Есть много причин, по которым более быстрый космический корабль лучше, и ядерные ракеты - способ сделать это. Они предлагают много преимуществ по сравнению с традиционными ракетами, работающими на топливе, или с современными электрическими ракетами на солнечной энергии, но за последние 40 лет было проведено всего восемь космических запусков в США с ядерными реакторами.
Однако в прошлом году законы, регулирующие ядерные космические полеты, изменились, и работа над ракетами следующего поколения уже началась.
Почему нам нужна скорость?
Первый шаг космического путешествия включает использование ракет-носителей для вывода корабля на орбиту. Это большие двигатели, работающие на топливе, которые люди представляют, когда думают о запуске ракет.
Когда корабль достигает космоса, все становится интереснее. Чтобы избежать гравитации Земли и достичь дальнего космоса, судам необходимо дополнительное ускорение. Это где ядерные системы вступают в игру. Если астронавты хотят исследовать что-то дальше, чем Луна и возможно Марс, им нужно будет двигаться очень-очень быстро. Пространство огромно, и все далеко.
Есть две причины, по которым более быстрые ракеты лучше подходят для дальних космических путешествий: безопасность и время.
Астронавты в поездке на Марс будут подвергаться воздействию очень высоких уровней радиации, которые могут вызвать серьезные долговременные проблемы со здоровьем, такие как рак и бесплодие. Может помочь радиационная защита, но она чрезвычайно тяжелая, и чем дольше миссия, тем больше экранирование необходимо. Лучший способ уменьшить радиационное облучение - просто быстрее добраться туда, куда вы летите.
Но безопасность человека - не единственное преимущество. По мере того, как космические агентства проводят исследования в космосе, важно как можно скорее получить данные от командиров без экипажа. Voyager 2 12 лет потребовалось, чтобы добраться до Нептуна, где он сделал несколько невероятных фотографий, пролетая мимо. Если бы у Voyager 2 была более быстрая двигательная установка, астрономы могли бы иметь эти фотографии и информацию, которую они содержали годами ранее.
Скорость это хорошо. Но почему ядерные системы быстрее?
После того, как корабль избежал гравитации Земли, при сравнении любой двигательной установки необходимо учитывать три важных аспекта: тяга, массовая эффективность, плотность энергии
В настоящее время наиболее распространенными двигательными установками являются химические двигатели, то есть обычные ракеты, работающие на топливе, и электрические двигательные установки на солнечных батареях.
Химические двигательные установки обеспечивают большую тягу, но химические ракеты не особенно эффективны, а ракетное топливо не настолько энергоемко. Ракета Сатурн V, которая доставила астронавтов на Луну, произвела 35 миллионов Ньютонов силы при взлете и несла 950 000 галлонов топлива. В то время как большая часть топлива использовалась при выводе ракеты на орбиту, ограничения очевидны: для того, чтобы добраться куда угодно, требуется много тяжелого топлива.
Одна из причин, по которым атомные ракеты являются многообещающими, заключается в том, что они предлагают невероятную плотность энергии. Урановое топливо, используемое в ядерных реакторах, имеет плотность энергии, которая в 4 миллиона раз выше, чем у гидразина, типичного химического ракетного топлива. Гораздо легче доставить небольшое количество урана в космос, чем сотни тысяч галлонов топлива.
Инженеры разработали два основных типа ядерных систем для космических путешествий. Первый называется ядерным двигателем. Эти системы очень мощные и в меру эффективные. Они используют небольшой ядерный реактор деления - подобный тем, которые можно найти на атомных подводных лодках - для нагрева газа, такого как водород, и этот газ затем ускоряется через сопло ракеты для обеспечения тяги. Инженеры из НАСА считают, что полет на Марс с ядерным двигателем будет на 20-25% короче, чем полет на ракете с химическим двигателем.
Ядерные тепловые двигательные установки более чем в два раза эффективнее, чем химические двигательные установки - это означает, что они генерируют вдвое большую тягу при одинаковом количестве топлива - и могут выдавать 100 000 Ньютон тяги. Этого достаточно, чтобы разогнать автомобиль до скорости 0-60 миль в час примерно за четверть секунды.
Вторая ядерная ракетная система называется ядерно-электрическим двигателем. Ядерные электрические системы еще не созданы, но идея состоит в том, чтобы использовать мощный реактор деления для выработки электроэнергии, которая затем приводила бы в действие электрическую двигательную установку, такую как двигатель Холла. Это было бы очень эффективно, примерно в три раза лучше, чем ядерная тепловая установка. Поскольку ядерный реактор может генерировать много энергии, многие отдельные электрические двигатели могут работать одновременно для создания достаточного количества тяги.
Почему до сих пор нет ядерных ракет?
Ядерные тепловые двигательные установки изучались с 1960-х годов, но еще не летали в космосе.
Правила, впервые введенные в США в 1970-х годах, по существу требовали рассмотрения в каждом конкретном случае и одобрения любого ядерного космического проекта со стороны многочисленных правительственных учреждений и явного одобрения президента. Наряду с отсутствием финансирования для исследований ядерных ракетных систем, эта среда помешала дальнейшему совершенствованию ядерных реакторов для использования в космосе.
