Есть мнение, что для освоения Солнечной системы, – в таком виде, как его представляли фантасты середины прошлого века, – человечеству понадобится термоядерный ракетный двигатель. Это мнение время от времени высказывается в моих публикациях и закономерно порождает вопросы, что имеется ввиду. Чем, например, термоядерный двигатель отличается от создающегося сейчас ядерного?
Следовательно, о двигателях. Недостатком использующихся ныне химических ракетных двигателей является огромный расход горючего. Так, при выведении на орбиту блока общей массой 100 тонн, на отлётную орбиту к Луне отправлен может быть только груз массой 36 тонн, 25 тонн к Марсу и всего 11 к Юпитеру. Причём, только на отлётную, – манёвры, выход на орбиту тела, посадку, – возможно, и взлёт, – придётся считать отдельно. Таким образом, полезный груз стремительно «тает», – либо же растёт масса всего «ракетного поезда».
...Пока, практических проблем ограничения химического двигателя не создают. Фактически, его эффективность даже избыточна, ибо – отправлять 25 тонн к Марсу, зачем, собственно? Масса автоматической межпланетной станции составляет, обычно, около 1.5 тонн, и не имеет тенденции к росту при постоянном и быстром расширении возможностей исследовательских аппаратов. Но если ставить цели более амбициозные, – такие как пилотируемый полёт на Марс или создание на Луне обитаемой базы, химией уже не обойтись. Потребуется привлекать физику.
Минус химического реактивного двигателя, – низкий удельный импульс. Максимальная скорость рабочего тела, – если горючим служит водород, а окислителем чистый кислород – около 4 километров в секунду, а фактически всегда ниже. Соответственно, чтобы разогнаться на 1 км/с, корабль должен отбросить не менее 20% своей массы – без учёта массы баков.
Ядерный ракетный двигатель, способный выбрасывать рабочее тело со скоростью 10 км/с, лучше, но не настолько, чтобы найти применение. Работы в направлении создания такового прекратились на высокой стадии готовности в 70-х прошлого века. Преимущества не окупали издержек (в том числе и массо-габаритных) связанных с радиоактивностью установки, – а значит, и необходимостью защиты от радиации, – и необходимостью размещения на борту реактора.
Применение в космосе, однако, нашёл электро-реактивный двигатель, называемый также ионным или плазменным. По сути, это ускоритель, стреляющий ядрами… обычно, аргона или неона. Инертные газы проще хранить. В таком случае скорость рабочего тела достигает 40-70, а в пределе 100 км/с. Но очень мала удельная мощность.
Современный электро-ядерный двигатель, это всё то же самое, но ускоритель запитывается не от солнечных батарей, а от ядерного реактора. Мощность, соответственно, выше. Удельный импульс позволяет расходовать в 10-20 раз меньше «горючего» (на самом деле, рабочего тела, горючим для двигателя служит уран) на 1 км/с ускорения. Так что, при массе корабля (на орбите Земли) в районе 200-300 тонн, реактор, кроме себя, оказывается способен доставить к Марсу и обратно ещё и 15-40 тонн полезной нагрузки.
Эффективность электроядерного двигателя достаточна, чтобы доставить человека на поверхность Марса. Но только для того, чтобы этот человек смог сделать там селфи на фоне флага. Фактически, ЭЯРД открывает перед человечеством лишь возможности, без которых оно легко обойдётся. И засада тут больше в реакторе, чем в ускорителе. Последний-то может разгонять частицы едва не до скорости света, но тяга ограничена вырабатываемой атомной силовой установкой энергией. Минус потери при передаче.
Термоядерный двигатель практически не имеет таковых. Рабочим телом в нём служат ядра гелия, рождающиеся в реакции синтеза. Одновременно, последняя служит и источником энергии. Но ускоритель и ядерный реактор в такой установке работают только в качестве стартёра. Бомбардируя релятивистскими протонами мишень из лития-7 можно добиться реакции, продуктом которой оказываются только заряженные альфа-частицы, имеющие скорость 40 000 км/с и отражаемые магнитным полем в нужном направлении. Набрать скорость в 100 км/с корабль сможет, израсходовав доли процента своей массы.
...Проблема, разумеется, в том что на данном витке технологического развития создание такого двигателя невозможно. И это – надолго. Проблема термоядерного синтеза не в разжигании реакции и не в удержании её под контролем, а в невозможности – пока – как-то выделившуюся энергию использовать, переводя в электрическую форму. Исходящие из зоны реакции излучения слишком жёсткие… Хотя, если речь о создании взрывного устройства, это – неважно.
Но речь же о будущем? И даже в будущем термоядерный корабль будет велик, – один только двигатель представляется сейчас 100 метровой, имеющей массу 800 тонн трубой. Со вспомогательными агрегатами (включая бортовую АЭС) – 1000 тонн, минимум. Максимум же, – сколько получится к этой трубе прицепить, не считая баков с горючим (рабочим телом), которые так малы, что их считать не стоит. Для полёта к Нептуну понадобятся 150 тонн лития и 25 тонн водорода.
Так, например, с полезной нагрузкой 2000 тонн корабль достигнет орбиты Луны за двое суток, а Марса за 40-90 суток, в зависимости от взаимного расположения планет. И длительность полёта не линейно растёт с расстоянием. Ведь корабль движется с постоянным ускорением. Скорость ограничена не запасом горючего, а выделением энергии в активной зоне. В экономичном режиме, с последующем торможением и выходом на орбиту тела термоядерный корабль сможет доставить 2000 тонн к Юпитеру за 120, к Сатурну за 180 и к Нептуну за 380 дней. Если же устроить гонки, разгоняясь на иногда упоминающейся в фантастике «холодной тяге», подразумевающей впрыскивание в сопло дополнительного гелия, с грузом в 500 тонн к Нептуну можно успеть за 80 дней.
...Обратить же внимание здесь стоит именно на массу груза, считаемую на тысячи тонн. Не меньше. Для меньшего с реакцией синтеза связываться просто не стоит... Термоядерный двигатель позволяет сделать грузоподъёмность и длительность рейса космического корабля сравнимыми с таковыми у корабля морского. Что означает доступность всех тел системы и реализуемость, в принципе, любых экономически оправданных проектов.
