С мечтами о Марсе в умах НАСА и Илона Маска, приближаются миссии с экипажем на большие расстояния через космос. Но вы можете быть удивлены, узнав, что современные ракеты не идут намного быстрее, чем ракеты прошлого.
Есть много причин, по которым более быстрый космический корабль лучше, и атомные ракеты - это способ сделать это. Они предлагают много преимуществ по сравнению с традиционными ракетами для сжигания топлива или современными электрическими ракетами на солнечных батареях, но за последние 40 лет было только восемь космических запусков США с ядерными реакторами.
Однако в 2019 году законы, регулирующие ядерные космические полеты, изменились, и работа над этим следующим поколением ракет уже началась.
Зачем нужна скорость?
Первый шаг космического путешествия включает в себя использование ракет-носителей для вывода корабля на орбиту. Это большие двигатели, которые люди представляют себе, когда думают о запусках ракет и вряд ли исчезнут в обозримом будущем из-за ограничений гравитации.
Как только корабль достигает космоса, все становится интересным. Чтобы избежать гравитации Земли и достичь мест в глубоком космосе, корабли нуждаются в дополнительном ускорении. Именно здесь в игру вступают ядерные системы. Если астронавты хотят исследовать что-то дальше Луны и, возможно, Марса, им нужно будет идти очень быстро. Пространство огромно, и все далеко.
Есть две причины, по которым более быстрые ракеты лучше подходят для космических путешествий на большие расстояния: безопасность и время.
Астронавты, путешествующие на Марс, будут подвергаться очень высоким уровням радиации, что может вызвать серьезные долгосрочные проблемы со здоровьем, такие как рак и бесплодие. Радиационная защита может помочь, но она чрезвычайно тяжелая, и чем дольше миссия, тем больше экранирования требуется. Лучший способ уменьшить радиационное облучение - это просто добраться туда, куда вы идете быстрее.
Но безопасность человека - не единственное преимущество. По мере того, как космические агентства исследуют дальше в космос, важно как можно скорее получить данные о беспилотных полетах. Вояджеру-2 потребовалось 12 лет, чтобы добраться до Нептуна, где он сделал несколько невероятных фотографий, когда пролетел мимо. Если бы у Вояджера-2 была более быстрая двигательная установка, астрономы могли бы иметь эти фотографии и информацию, которую они содержали много лет назад.
Скорость - это хорошо. Но почему ядерные системы быстрее?
Системы сегодняшнего дня
После того, как корабль избежал гравитации Земли, при сравнении любой двигательной установки следует учитывать три важных аспекта:
- Тяга - как быстро система может ускорить судно
- Массовая эффективность - сколько тяги система может произвести для определенного количества топлива
- Плотность энергии - сколько энергии может производить данное количество топлива
Сегодня наиболее распространенными используемыми двигательными установками являются химические двигатели, то есть обычные ракеты для сжигания топлива, и электрические силовые установки на солнечных батареях.
Химические силовые установки обеспечивают большую тягу, но химические ракеты не особенно эффективны, а ракетное топливо не такое энергетическое. Ракета "Сатурн V", которая доставит астронавтов на Луну, произвела 35 миллионов ньютонов силы при старте и перенесла 950 000 галлонов топлива. В то время как большая часть топлива использовалась для того, чтобы вывести ракеты на орбиту, ограничения очевидны: требуется много тяжелого топлива, чтобы добраться куда угодно.
Электрические силовые установки генерируют тягу, используя электроэнергию, полученную от солнечных батарей. Наиболее распространенным способом сделать это является использование электрического поля для ускорения ионов, например, в подруливающем улове Hall. Эти устройства обычно используются для питания спутников и могут иметь более чем в пять раз более высокую массовую эффективность, чем химические системы. Но они производят гораздо меньше тяги - около трех Ньютонов, или достаточно, чтобы ускорить автомобиль с 0 до 60 миль в час примерно за два с половиной часа. Источник энергии - Солнце - по существу бесконечен, но становится менее полезным, чем дальше от Солнца уходит корабль.
Одна из причин, по которой атомные ракеты обещают, 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 гидразин, типичное химическое ракетное топливо. Гораздо проще доставить небольшое количество урана в космос, чем сотни тысяч галлонов топлива.
Так как насчет тяги и эффективности массы?
Два варианта ядерной энергетики
Инженеры разработали два основных типа ядерных систем для космических путешествий.
Первый называется ядерным тепловым двигателем. Эти системы очень мощные и умеренно эффективные. Они используют небольшой ядерный реактор деления - аналогичный тем, которые встречаются в атомных подводных лодках - для нагрева газа, такого как водород, и этот газ затем ускоряется через ракетное сопло, чтобы обеспечить тягу. Инженеры из НАСА подсчитали, что миссия на Марс, работающий на ядерном тепловом двигателе, будет на 20%-25% короче, чем поездка на химической ракете.
Ядерные теплоприкладные системы более чем в два раза эффективнее, чем химические силовые установки, что означает, что они генерируют в два раза больше тяги, используя одинаковое количество массы топлива, и могут доставить 100 000 ньютонов тяги. Этого достаточно, чтобы получить автомобиль со скоростью 0-60 миль в час примерно за четверть секунды.
Вторая ракетная система ядерного базирования называется ядерным электродвигателем. Ядерные электрические системы еще не построены, но идея заключается в том, чтобы использовать мощный реактор деления для производства электроэнергии, которая затем будет питать электрическую двигательную систему, такую как подруливающее оборудование Hall. Это было бы очень эффективно, примерно в три раза лучше, чем ядерная тепловая двигательная установка. Поскольку ядерный реактор может создавать большую мощность, многие отдельные электрические подруливающие устройства могут работать одновременно, чтобы генерировать большое количество тяги.
Ядерные электрические системы будут лучшим выбором для чрезвычайно дальних миссий, потому что они не требуют солнечной энергии, имеют очень высокую эффективность и могут дать относительно высокую тягу. Но хотя ядерные электрические ракеты чрезвычайно многообещающие, есть еще много технических проблем, которые необходимо решить, прежде чем они будут вводятся в употребление.
Почему еще нет ядерных ракет?
Ядерные теплоприкладные системы изучались с 1960-х годов, но еще не летали в космосе.
Правила, впервые введенные в США в 1970-х годах, по существу требовали индивидуального изучения и утверждения любого ядерного космического проекта несколькими правительственными учреждениями и явного одобрения со стороны президента. Наряду с отсутствием финансирования исследований ядерных ракетных систем, эта среда помешала дальнейшему совершенствованию ядерных реакторов для использования в космосе.
Все изменилось, когда администрация Трампа выпустила аппрезидентный меморандум в августе 2019 года. Поддерживая необходимость обеспечения максимальной безопасности ядерных запусков, новая директива позволяет ядерным миссиям с меньшим количеством ядерного материала пропустить процесс утверждения между несколькими учреждениями. Только спонсорское агентство, такое как НАСА, должно подтвердить, что миссия соответствует рекомендациям по безопасности. Более крупные ядерные миссии будут проходить через тот же процесс, что и раньше.
Наряду с этим пересмотром правил НАСА получило 100 миллионов долларов США в бюджете на 2019 год на разработку ядерной тепловой установки. DARPA также разрабатывает космическую ядерную теплоуправляемую систему, чтобы обеспечить операции национальной безопасности за пределами околоземной орбиты.
После 60 лет стагнации возможно, что атомная ракета отправится в космос в течение десятилетия. Это захватывающее достижение откроет новую эру освоения космоса. Люди поедут на Марс, а научные эксперименты сделают новые открытия по всей нашей Солнечной системе и за ее пределами.
Помощь автору:
Сбербанк: "за рубеж"-"по номеру телефона"-"киргизия"-"+996995301297"-MBANK(Банк Кыргызстана)