Идея использования ядерных двигателей была одной из ключевых тем научной фантастики второй половины XX века. В контексте космической гонки между США и СССР, когда за двенадцать человечество преодолело большой путь от первого спутника на орбите до высадки человека на Луну, казалось, что скоро человечество сможет овладеть ядерной энергией настолько, чтобы использовать её для межпланетных путешествий. Однако динамика фундаментальных прорывов в области двигателестроения заметно спала и по результатам первой четверти XXI века такой способ путешествия остается гипотетическим.
Несмотря на сложность в практической реализации, такие двигатели открывают перед человечеством новые горизонты в области межпланетных путешествий. Некоторые специалисты считают, что без овладения технологии ядерных двигателей полноценное освоение Марса будет существенно затруднено. Что же говорить про внешние планеты солнечной системы и их спутники?
В начале космической гонки и СССР, и США рассматривали проекты, связанные с использованием ядерных двигателей в освоении солнечной системы. Программы достигли разной степени готовности, но в итоге их ждала общая участь - закрытие до реализации. Затем на несколько десятилетий наступило затишье: теоретические концепты с завидной частотой сменяли друг друга
Принцип действия
В традиционном виде ядерный ракетный двигатель состоит из трёх основных компонентов:
- Нагревательный блок с ядерным реактором — служит источником тепловой энергии, получаемой в результате цепной реакции деления ядерного топлива (обычно урана или плутония).
- Система подачи рабочего тела — транспортирует вещество (чаще всего — лёгкий водород) из топливных баков в зону нагрева.
- Реактивное сопло — преобразует тепловую энергию рабочего тела в кинетическую, что создаёт реактивную тягу.
Как это работает?
- Водород под высоким давлением попадает в активную зону реактора. Здесь расположены тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) — каналы или стержни, нагретые в результате ядерных реакций до чрезвычайно высоких температур (2000–3000 градусов по Кельвину).
- Когда водород проходит через эти раскалённые каналы, он поглощает огромное количество тепловой энергии, что приводит к значительному повышению его температуры и давления.
- Далее водород, разогретый до состояния высокотемпературной плазмы, с огромной скоростью истекает через сопло. Это создает реактивную тягу, действующую по принципу, похожему на химические жидкостные ракетные двигатели, но с гораздо большим удельным импульсом.
В ядерном ракетном двигателе энергия, получаемая в результате ядерных реакций, используется для разгона рабочего тела (как правило, водорода) до сверхвысоких скоростей. В отличие от химических ракетных двигателей, где энергия выделяется в процессе сжигания топлива, в ЯРД тепло генерируется различными способами:
- деление ядер: в двигателях NTR (Nuclear Thermal Rocket) тепло вырабатывается в результате деления ядер.
- синтез ядер: гипотетические термоядерные двигатели предполагают синтез ядер для получения энергии.
- ядерные взрывы: импульсные системы типа "Орион" используют энергию ядерных микровзрывов для ускорения рабочего тела.
История развития
В Советском Союзе к разработке проекта отнеслись со всей серьёзностью. В отличие от США, где параллельно велось несколько проектов, отечественные специалисты сосредоточили свои усилия на одном, самом масштабном. Он получил название РД-0410.
Для реализации этого проекта были привлечены именитые специалисты: генеральный конструктор ракеты — С. П. Королёв, конструктор двигателей — В. П. Глушко, разработчик реактора — А. И. Лейпунский. Научное руководство осуществлял С. П. Королев, а также М. В. Келдыш и И. В. Курчатов. Разработка «баллистической ракеты дальнего действия с атомным двигателем» началась в 1956 году, когда было выпущено соответствующее постановление правительства СССР.
- реактор успешно запускался более 30 раз, но только в стендовых условиях.
- в открытый космос двигатель никогда не выводился из-за риска радиационного заражения.
В 1952 году американские учёные из Лос-Аламосской лаборатории приступили к исследованию ядерных ракетных двигателей. В 1955 году проект получил новый импульс, когда один из специалистов предложил способ значительного облегчения реактора. К 1961 году достижения были настолько впечатляющими, что NASA приняло решение включить ядерные двигатели в свои планы.
Создание NERVA
Для управления разработкой в NASA было создано Управление космических ядерных силовых установок (SNPO). Его первый директор, Гарри Фингер, поставил перед командой чёткие цели:
- разработать надёжный ядерный двигатель для космоса.
- отложить испытания в полёте (проект RIFT) и сначала проверить технологию на Земле.
Для работы над двигателем были выбраны компании Aerojet и Westinghouse, а за основу взят реактор KIWI-B4. Позже появилась улучшенная версия – NERVA NRX.
Испытания
Двигатели тестировали на полигоне в Неваде. Первый NERVA NRX проработал 2 часа, включая 28 минут на полной мощности – это был настоящий успех!
Второй двигатель, NERVA XE, был ещё ближе к реальной космической системе. Он:
- запускался 28 раз.
- проработал 115 минут.
- доказал, что ядерный двигатель может быть в два раза эффективнее, чем обычные химические.
Почему проект закрыли?
Существует несколько причин, по которым проект был закрыт:
- дороговизна – программа требовала значительных финансовых вложений.
- политика – после завершения лунной программы "Аполлон" интерес к космосу значительно снизился.
- нет ракеты-носителя – проект Saturn S-N, который должен был выводить NERVA в космос, был отменён.
В 1972 году программу окончательно свернули, хотя исследования продолжались ещё несколько лет.
Аварии
К сожалению, не обошлось без проблем:
- В 1959 году реактор перегрелся, и его обломки разлетелись по пустыне. Их собрали только через три недели.
- Позже произошёл взрыв водорода, в результате чего двое рабочих получили травмы.
Перспективы технологии
Среди множества проектов, направленных на возрождение ядерных двигателей, особенно выделяется один.
DRACO — это перспективная разработка, которая может применяться как в гражданской, так и в военной сфере. Из-за этого публичные данные о проекте ограничены.
Известно, что в качестве энергоисточника будет использоваться твердофазный ядерный реактор, работающий на уране повышенного обогащения (HALEU). Это топливо содержит от 5% до 20% урана-235, тогда как в обычных энергетических реакторах его доля не превышает 5%.
Почему это важно?
- Большая концентрация делящегося материала позволяет получать высокую энергоотдачу при компактных размерах реактора.
- Однако чем выше обогащение, тем сложнее контролировать цепную реакцию — требуется более точное управление.
На сегодня HALEU применяется лишь в экспериментальных наземных установках. В космосе такие реакторы еще не испытывались, что делает DRACO особенно инновационным проектом.
Как вы думаете, сможет ли атомный двигатель стать ключом к межпланетным путешествиям в ближайшие 50 лет, или человечеству стоит делать ставку на другие технологии?
👉Выжить на Красной планете: как найти лучшее место для жизни за пределами Земли?