Современное освоение космического пространства (пилотируемые полёты на Луну, а также исследования, выполненные на орбитальной станции «Мир» и МКС в ближнем космосе и на поверхности Луны и Марса луно- и марсоходами) идёт по пути развития в создании двигательных и энергетических установок, обеспечивших максимально эффективные показатели.
Конструкторы борются за технологическую и экономическую эффективность, а также за каждый выведенный грамм полезной нагрузки.
Однако пилотируемая космонавтика пока буксует. Никаких баз на других небесных телах Солнечной системы до сих пор не случилось. Пилотируемые полёты на Луну и на Марс постоянно откладываются, не говоря об освоении дальних уголков Солнечной системы.
У нас банально даже нет высококомфортной орбитальной станции с искусственной силой тяжести, как это описывал ещё Константин Циолковский больше века назад.
Когда мы уже приблизимся к тому, что давно должно быть реальностью? Ведь там, за пределами нашей планеты, бесконечный мир с невероятным многообразием ресурсов и с возможностью экспансии, когда каждый житель Земли сможет найти и обустроить свой райский уголок...
Однако сегодня прогресс человечества принципиально не приблизил доступность космического пространства для человеческой цивилизации, несмотря на все наши достижения.
Но почему так?
Анализ развития космической техники показывает, что главный тормозящий критерий космической экспансии человечества - это не биологические или психологические ограничения, и даже не финансовые ресурсы, а низкая энергоёмкость современных космических аппаратов.
Если бы у нас были высокоэффективные двигатели, либо мощная энергетическая генерация в условиях космического вакуума, то освоение космоса получило бы революционный рывок.
Исходя из этого, мы должны отделить технологии, которые будут помогать нам осваивать космос, от технологий, которые уже не способны качественно улучшить наши позиции.
Например, в ближнем космосе на энергоёмких околоземных орбитах одной из принципиальных и приоритетных задач является создание всепогодной круглосуточной оперативной высокодетальной системы для наблюдения обширных районов земной поверхности и для обеспечения специальной связи.
Это не только спутники интернет-связи, но и новые методы наблюдения в радиолокационном диапазоне, которые могут работать независимо от метеоусловий и освещённости, что чрезвычайно важно для оперативных целей.
Если в условиях Земли мы ещё можем использовать в качестве источника электроэнергии солнечные батареи, то в условиях Марса или спутников Юпитера и Сатурна эффективно использовать солнечные панели уже не получится.
Ряд стратегических и социально-экономических задач можно решить только в условиях оперативного получения информации, и радиолокационные системы могут стать единственно приемлемыми.
Для решения этих задач космические аппараты на геостационарной и геосинхронной орбитах должны располагать на борту десятками и сотнями киловатт электрической мощности, что в настоящее время является недостижимыми величинами.
Ещё на самых первых этапах освоения космического пространства было полное понимание того, что без ядерных технологий космическая экспансия человечества попросту невозможна.
И действительно, НАСА уже более 20 лет разрабатывает ядерный реактор для размещения на поверхности Луны и Марса, где использование солнечной энергии является затруднительной либо вовсе не представляется возможным.
То же самое касается и ядерных ракетных двигателей (ЯРД), которые претендуют на перспективный способ передвижения в космическом пространстве.
Однако, хоть использование ядерной энергии в космосе выглядит более чем логично, технология ядерных ракетных двигателей развивается очень тяжело.
ЯРД получили своё название благодаря тому, что создают тягу за счёт использования ядерной энергии, т. е. энергии, которая выделяется в результате ядерных реакций. В общем смысле под этими реакциями подразумеваются любые изменения энергетического состояния атомных ядер, а также превращение одних ядер в другие, связанные с перестройкой структуры ядер или изменением количества содержащихся в них элементарных частиц - нуклонов.
Причём ядерные реакции, как известно, могут происходить либо спонтанно (т. е. самопроизвольно), либо вызываться искусственно, например, при бомбардировке одних ядер другими (или элементарными частицами).
Ядерные реакции деления (в перспективе синтеза) по величине энергии превосходят химические реакции в миллионы раз.
Для примера: 1 кг делящегося ядерного вещества (Уран-235, Плутоний-239) выделяет энергию, эквивалентную энергии, полученной от сжигания 600 тонн водорода. То есть энергический выход в реакции деления ядра в 600 тысяч раз больше, чем даёт химическая реакция окисления водорода - элемента с самой высокой удельной теплотой сгорания в известной нам Вселенной.
Это объясняется тем обстоятельством, что энергия химической связи атомов в молекулах на много порядков меньше энергии ядерной связи нуклонов в ядре.
Ядерную энергию в ракетных двигателях можно использовать следующими доступными способами:
Сегодня наиболее проработанным и наиболее приближенным к реализации является ЯРД с реактором деления и последующим выбросом рабочего тела через сопло.
Этот тип ЯРД представляет собой сочетание энергетического реактора (подобного тем, которые используются в атомных электростанциях или на надводных и подводных судах) с жидкостным ракетным двигателем. В ЯРД реактор выполняет ту же функцию, что и камера сгорания в ЖРД, а именно - служит для обращения исходного рабочего тела в высокотемпературный газ. Как и в случае ЖРД, этот газ затем разгоняется в реактивном сопле, создавая тягу.
Химический жидкостный ракетный двигатель и ядерный тепловой ракетный двигатель отличаются не столь радикально, как об этом принято думать:
Принципиально рабочая схема ЯРД следующая:
Водород (рабочее тело) проходит через тепловыделяющие сборки (высокотемпературные графиты и карбиды) активной зоны ядерного реактора, в результате чего, сильно нагреваясь и истекая из сопла, создаёт тягу.
По аналогии с ЖРД исходное рабочее тело ЯРД хранится в жидком состоянии в баке двигательной установки, и его подача производится при помощи турбонасосного агрегата. Газ для вращения этого агрегата, состоящего из турбины и насоса, может вырабатываться в самом реакторе.
Существует множество ЯРД с реактором деления, наиболее проработанные:
Менее проработанные:
- Жидкофазные и коллоидные
- ЯРД с реактором синтеза
- Импульсные ЯРД.
Из всех возможных типов ЯРД наиболее разработанный - двигатель с твердофазным реактором деления.
Типичный ЯРД этого типа содержит твердофазный реактор в виде цилиндра с высотой и диаметром около 1-2 м.
В качестве ядерного горючего используется уран с обогащением до 90% изотопом Уран-235.
В будущем можно использовать Плутоний-239.
Наиболее эффективными рабочими телами для ЯРД с реакторами деления являются вещества малой молекулярной массы. Потому в качестве рабочего тела применяют водород.
Такая ядерная ракета-носитель теоретически будет иметь возможность выводить 2,5 раза больше полезной нагрузки на единицу массы, чем её химический аналог, и при этом будет многоразовой.
И ведь эти двигатели были разработаны, созданы и испытаны.
Однако в ходе многочисленных испытаний выяснилось, что эта крайне перспективная технология, способная полностью заменить маршевые химические ракетные двигатели, оказалась крайне не совершенна.
Активное взаимодействие водорода с делящимся веществом ядерного реактора в прямом смысле разрушало внутренние элементы реактора, вследствие чего надёжность ЯРД была крайне низкой.
Однако сама концепция использования этого типа двигателя вместо традиционных химических ракетных двигателей выглядит слишком заманчивой, ведь с её помощью до Марса можно долететь всего за 100 дней, и при этом ещё останется топливо для возврата на Землю.
Внесут ли ЯРД свою лепту в развитие пилотируемой космонавтики, благодаря которой человечество начнёт освоение Солнечной системы?
И тут нельзя ответить однозначно. Несмотря на практические и теоретические результаты в использовании ЯРД, которые с виду кажутся более прогрессивными, они так и не получили распространения.
В США, например, было множество разнообразных программ разработки ЯРД, в том числе - для космических кораблей на ядерной тяге.
- Проект "Орион" (1950-1960 года)
- Проект "Ровер" (1955 по 1973 годы)
- Проект "NERVA" (1956-1973 годы)
- Проект "Плутон" (1957–1964 годы)
- Проект "Timberwind" (1987 по 1995 годы)
- Проект "Longshot" (1988-1989 годы)
- Проект "Прометей" (2003-2006 года)
- В 2019 году Конгресс США одобрил финансирование в размере 125 миллионов долларов США на разработку ракет с ядерными тепловыми двигателями, включая планирование демонстрационной миссии в 2024 году.
Так что же не так со всеми этими проектами? Почему ядерный двигатель никак не доберётся до космоса?
Важнейшим показателем энергетического совершенствования любой ракеты является удельная тяга её двигателя.
Удельная тяга - это величина, определяемая как отношение общей тяги к секундному массовому расходу топлива.
И тут химические двигатели в разы проигрывают созданным и испытанным образцам ЯРД.
Ракета "ФАУ-2", с которой началась вся мировая космонавтика, имела показатель удельной тяги около 2000 м/с.
Самые современные жидкостные ракетные двигатели имеют удельную тягу около 4500 м/с.
За более чем 80 лет интенсивнейшей работы над химическими ракетными двигателями их удельную тягу подняли всего в 2-2,5 раза.
Например, разрабатываемый сегодня ракетный двигатель "Raptor" имеет удельную тягу в 3300-3700 м/с. А этот двигатель, по замыслам компании "SpaceX", должен обеспечить полёты на Марс и в другие части Солнечной системы на корабле "Starship".
В ЯДР водород нагревается в активной зоне ядерного реактора, создавая тягу без применения окислителя, а это уменьшало общую молекулярную массу рабочего тела.
Чем меньше молекулярная масса рабочего тела, тем большей удельной тяги можно достигнуть при одинаковом количества расхода энергии.
Именно поэтому удельная тяга ЯРД в 2-3 раза превосходит показатели химических ракетных двигателей.
За всё время разработки и испытаний ЯРД в СССР и в США весь прогресс был сведён к получению высоких показателей удельной тяги, что на практике и подтвердило возможность создания более совершенного ракетного двигателя, чем любой химический аналог.
Но на этом, по сути, всё, так как устойчивой работы и безопасной эксплуатации достигнуть так и не удалось.
Из активной зоны реактора вместе с водородом выносились и частицы делящегося вещества, из-за чего реактивная струя имела повышенный радиоактивный фон, а сама активная зона реактора подвергалась чрезвычайно повышенному износу вследствие активного взаимодействия с водородом.
И это мы ещё не говорим про трудности для обеспечения радиационной безопасности при эксплуатации подобных ядерных установок...
Есть ещё один важный момент - это общая тяга созданных ЯРД. Для преодоления силы притяжение Земли требуется тяга, большая, чем сила, с которой этот самый двигатель притягивается к Земле.
Химические двигатели выдают тягу, способную оторвать от земли от 30 до 250 собственных масс двигателя, что и обеспечивает ракете отрыв от поверхности Земли с последующим ускорением и выводом на орбиту планеты.
- Советский ЯРД "РД-0410" при полной массе (с радиационной защитой) в 2000 кг развивал тягу в 3590 килограмм-силы. Соотношение - 1,795:1.
- Американская "NERVA" при сухой массе (без радиоактивной защиты) двигателя в 18144 кг развивала тягу в 25152 килограмм-силы. Соотношение - 1,386:1.
В теории тяга напрямую связана с тепловой мощностью реактора. Тепловая мощность в 450 МВт при удельной тяге в 9000 м/с будет вырабатываться примерно в диапазоне 10000 килограмм-силы (расчётное значение).
И это без учёта массы водорода, полезной нагрузки и массы самой ракеты. С практической точки зрения тяги ЯРД было недостаточно для отрыва ракеты-носителя от стартового стола, но теоретически позволяло использовать ЯРД на второй или третьей ступени для вывода полезной нагрузки, а также использовать как маршевые двигатели для полётов в условиях открытого космоса.
Однако с практической стороны все разработанные в СССР и США ЯРД в качестве маршевого теплового двигателя космического аппарата не нашли применения. И дело тут даже не в несовершенстве технологий того времени, а в самой концепции, для которой разработанные ЯРД оказались недостаточно эффективными в сравнении с химическими ракетными двигателями.
После закрытия программы тепловых ядерных ракетных двигателей в СССР (1965-1985 годы) было решено идти по пути применения ядерной энергетики в энергоустановках космических аппаратов, в то время как в США всё ещё не оставляли надежду получить надёжный и работающий ЯРД, инициируя различные программы по его разработке.
Однако общие выводы, сделанные в СССР и США по поводу перспектив использования ЯРД в пилотируемой космонавтике, были одинаковые: тепловой ядерный ракетный двигатель в обозримой перспективе не будет способен эффективно заменить традиционные химические ракетные двигатели.
И для таких выводов были все основания. Так, созданные образцы ЯРД, которые обладали удельной тягой, в два раза превышающей тягу традиционных ракетных двигателей, работали практически на пределе своих конструктивных возможностей, из-за чего возникли большие трудности в обеспечении их безопасной эксплуатации.
Единственным вариантом устойчивой и безопасной работы ЯРД является уменьшение рабочей температуры активной зоны реактора с 3000 градусов Цельсия до приемлемых 1000-1500 и замены химически активного водорода на инертный газ. Однако при таких параметрах получаемая удельная тяга становится неприемлемо низкой - около 200 м/с.
Учитывая все критерии, в том числе международное право по мерам регулирования ядерных объектов в космосе, в России решили начать разработку ядерного энергетического модуля, где энергию активной зоны ядерного реактора преобразуют в электрическую для питания электрических ракетных двигателей (ионные, плазменные).
США вернулись к разработке ядерного теплового ракетного двигателя, для чего был заключён контракт на сумму 14 миллионов долларов с инженерной фирмой "Gryphon Technologies", которая пообещала Пентагону создать ЯРД, превосходящий в 5 раз по эффективности современный химический ракетный двигатель (то есть удельная тяга должна быть в районе 18 000 м/с), а тяга будет в 10 000 раз больше, чем у ионного двигателя (то есть в районе 250 килограмм-силы).
Что в России, что в США про пилотируемую ядерную космонавтику пока не говорят...
Какая технология является наиболее актуальной и перспективной, а какая - тупиковой? Как привести химический, ядерный и ионный ракетные двигатели к единому показателю эффективности для наглядного определения перспективы использования?
Об этом поговорим в следующей статье.
Постскриптум.
Статьи выходят благодаря поддержке подписчиков-спонсоров. Для спонсоров всегда открыто приватное обсуждение, все ссылки на источники и исследования используемые в основе моих статей. Спасибо друзья за поддержку канала!
Статья для спонсоров:
Подписывайся на канал! Источники используемые в материале можно просмотреть в закреплённом комментарии.
=============================================