Тень космонавтики часть 6 Ядерный буксир на аммиаке с форсажем

В статьях на тему ядерных космических технологий

был рассмотрен вариант ядерного космического буксира с ионными двигателями, отличающегося от всем известного проекта "Зевс" лишь системой охлаждения на тепловых трубах. Работающей за счёт принципа эквивалентности сил инерции и гравитации, но от этого не менее сложной.

Более подробно такой ядерный буксир рассмотрен в статье

но технологической сложности в нём ещё больше. К тому же все эти проекты требуют для выведения на НОО (низкую опорную орбиту) Земли ракеты, аналогичной Starship Илона Маска по грузоподъёмности, чего в российских реалиях не предвидится ещё очень долго.

Для реального исполнения надо серьёзно упростить космический ядерный буксир. Скажете - "это невозможно!". Возможно, если отказаться от зашоренного десятилетиями взгляда на порядок вещей в космонавтике и принципы использования ядерной энергии в ней. Собственно, такой же подход, но в "безъядерном" исполнении использует Илон Маск и у него это весьма хорошо получается.

Итак, требования к ядерному буксиру:

1. Технологическая и конструктивная простота
2. Отказ от громоздкой системы охлаждения
3. Компактность и возможность вывода связки буксир + полезная нагрузка одним запуском - ракетой с грузоподъёмностью 20 тонн на НОО земли
4. Работа на трассе НОО Земли - НОО Луны с возможностью масштабирования для дальних полётов
5. Ну и относительная дешевизна, конечно же.

Как всё это объединить в одном конструктиве? Достаточно просто, выполнив всего два постулата:

1. Отказавшись от генерации электроэнергии на борту посредством ядерно-энергетической установки
2. Отказавшись от системы охлаждения

Для этого надо вернутся к технологическому образу РД-0410, но на новом уровне технологий, уже отработанных на военных образцах (КР Буревестник и Посейдон). Основные технологические идеи:

1. Рабочее тело - аммиак NH3
2. Предварительное разложение аммиака на водород и азот на катализаторах (никель, железо, рутений) в первом низкотемпературном (400-500 градусов Цельсия) контуре, совмещенном с окружающей реактор системой охлаждения, защищающей конструктив буксира от перегрева. Реакция разложения эндотермическая.
3. Подача водородно-азотной смеси из первого контура во вторую высокотемпературную ступень - непосредственно ядерный реактор с нагревом рабочего тела до 1200-1300 градусов Цельсия. После отработки технологии можно обеспечить нагрев до большей температуры (2000-2500 градусов Цельсия), для увеличения удельного импульса.
4. Выброс нагретой в жидкометаллическом теплообменнике ядерного реактора водородно-азотной смеси (75% водорода и 25% азота) через сопло для создания реактивной тяги. При разгоне с постоянным ускорением поле сил инерции эквивалентно гравитации и работа теплообменника возможна без циркуляционных насосов.
5. Дополнительно, для увеличения тяги при старте с НОО Земли - использование форсажной камеры с подачей парогазовой смеси (H2O+O2), полученной путём каталитического разложения перекиси водорода из дополнительного бака, сбрасываемого после разгона. Кислород, полученный из перекиси водорода, вступает в реакцию с водородом, обеспечивая дополнительную тягу при старте с НОО Земли. Такое решение снижает удельный импульс, но обеспечивает большую тягу двигателя, что важно для быстрого ухода с НОО Земли к Луне или в дальний космос.

Концепция и преимущества

Ключевая идея: Гибридная двигательная установка, сочетающая:

• Высокоэффективный ядерный двигатель на аммиаке (для межорбитального перелёта).
• Форсажную камеру на перекиси водорода (для стартового манёвра с НОО Земли).

Преимущества:

• Надёжность: Каталитическое разложение перекиси водорода — простой и отработанный процесс.
• Эффективность: Сброс бака перекиси водорода и системы каталитического разложения после использования при уходе с НОО Земли снижает массу буксира.
• Безопасность: Аммиак и перекись водорода стабильны при хранении и не являются криогенными жидкостями

Расчёт параметров

Исходные данные:

• Стартовая масса на НОО: 20 000 кг.
• Полезная нагрузка: 2 000 кг.
• Сухая масса ЯРД: 8 000 кг.
• Масса системы форсажа (бак, катализатор, арматура): 700 кг.
• Масса перекиси водорода (H₂O₂): 1 300 кг.
• Масса аммиака: 8 000 кг.

Режимы работы:

1. Частично ядерный режим (старт с НОО и переход на отлётную траекторию):
Использование O₂ после каталитического разложения H₂O₂ для сжигания водорода (полученного поле каталитического разложения аммиака) в форсажной камере ЯРД, работающего на минимальной мощности
Удельный импульс: 330 с.
Прирост скорости:

Сброс системы форсажа после манёвра.

2. Полностью ядерный режим (перелёт к Луне):

• Топливо: Аммиак (разложенный на N₂ + 3H₂).
• Удельный импульс: 650 с.
• Прирост скорости:

Результат: Достаточно для миссии с запасом на коррекции орбиты.

Схема работы буксира в гибридном варианте

Этап 1: Старт с НОО Земли

• Запуск форсажной камеры.
• Разложение H₂O₂ на катализаторе:

• Подача аммиака в низкотемпературный контур, разложение на водород и азот, сжигание водорода с кислородом в форсажной камере.
• Сброс системы форсажа (бак перекиси + блок катализа) после набора скорости.

Этап 2: Перелёт к Луне

• Работа ядерного двигателя на смеси N₂ + H₂.
• Торможение у Луны с использованием ЯРД.

Этап 3: Возврат (опционально)

• Дозаправка аммиаком на лунной орбите для следующих миссий.

Вариант без форсажной камеры в сравнении с гибридной версией

Гибридная схема жертвует 10% ΔV ради повышения надёжности стартового манёвра.

Проект обеспечивает:

• Гарантированную доставку 2 тонн груза на орбиту Луны.
• Быстрый старт с НОО Земли за счёт форсажной камеры.
• Многоразовость после дозаправки аммиаком.

Перспективы:

• Использование для поддержки лунной базы.
• Модификация для полётов к Марсу (с заменой топлива на водород).

Второй этап - буксир с высокотемпературным ЯРД

После отработки технологии первого этапа необходимо перейти на чисто ядерный вариант буксира, с нагревом рабочего тела до 2200 градусов Цельсия,

• Принцип работы установки: Аммиак предварительно разлагается в каталитическом реакторе (совмещённом с системой охлаждения для защиты конструктива буксира от перегрева) на смесь азота и водорода в соотношении 1:3. Эта газовая смесь затем нагревается в высокотемпературном ядерном реакторе до 2200 °C и истекает через сопло, создавая тягу.
• Расчёт ΔV по формуле Циолковского: