Приветствую вас мои космические друзья! В своей знаменитой "лунной речи", которую 25 мая 1961 года произнес президент США Джон Ф. Кеннеди перед Конгрессом, он не только призвал высадить человека на Луне к 1970 году, но, среди прочего, он добивался выделения больших средств на расширение исследований в области ядерных ракет, которые, как он объяснил, однажды позволят американцам достичь "самых дальних концов Солнечной системы".
Когда президент Кеннеди произносил свою речь, многие специалисты предполагали, что только ядерные двигатели позволят достичь не только Марса и Венеры, но и самых отдаленных планет Солнечной системы.
В своей речи президент Кеннеди конкретно упомянул совместную программу НАСА и Комиссии по атомной энергии - ROVER, по созданию ядерно-теплового двигателя (ЯРД). Такой двигатель использует ядерный реактор для нагрева топлива (обычно жидкого водорода) и его выброса его через сопло для создания тяги.
Проект ROVER начался под эгидой ВВС США и Комиссии по атомной энергии (AEC) в 1955 году. В 1957 году AEC и ВВС выбрали конструкцию реактора Kiwi для наземных испытаний ядерно-теплового двигателя. В 1958 году ВВС США передали свои полномочия по проекту ROVER вновь созданному космическому агентству НАСА. Пока президент Кеннеди произносил свою речь, американские аэрокосмические компании вступили в соревнование за контракт на создание космического аппарата с первым ядерно-тепловым двигателем NERVA.
Ядерно-тепловой ракетный двигатель — не единственная форма ракетного двигателя который работает благодаря ядерному реактору. Другая разновидность — ядерно-электрическая двигательная установка (ЯЭДУ). Одной из форм ЯЭДУ является ионный двигатель.
Ионный двигатель электрически заряжает топливо и выбрасывает его со скоростью близкой к скорости света используя магнитное поле. Поскольку для выполнения этих задач требуется большое количество электроэнергии, ионизировать и выбрасывать можно лишь небольшое количество топлива. Это, в свою очередь, означает, что ионный двигатель обеспечивает постепенное ускорение; однако теоретически ионный двигатель может работать в течение нескольких месяцев или даже лет, что позволит ему разгонять космический аппарат до высоких скоростей.
Интерес к теме ионного двигателя стал развиваться в 1940-х годах. Многие ученые внесли большой вклад в разработку ионных двигателей среди них: Л. Шеперд и А.В. Кливер в Великобритании, Л. Шпитцер и Х. Цянь в США, а также О. Зенгер в Западной Германии.
В 1954 году Эрнст Штулингер, член немецкой ракетной команды, которую армия США перевезла в Соединенные Штаты после окончания Второй мировой войны, начал исследования космических аппаратов с ионными двигателями, одновременно разрабатывая ракеты для Агентства баллистических ракет армии США (ABMA) в Редстоунском арсенале в Хантсвилле.
Его первая разработка, была названа "космической бабочкой". Этот космический аппарат использовал блоки солнечных концентраторов в форме тарелки для выработки электроэнергии, но вскоре Штулингер перешел к проектированию космических аппаратов с ЯЭДУ. Ядерный реактор нагревал рабочую жидкость, которая приводила в движение турбину, вырабатывающую электроэнергию. Затем жидкость циркулировала через радиатор для отвода избыточного тепла, после чего возвращалась в реактор для повторения цикла.
Штулингер стал сотрудником НАСА в 1960 году, когда команда ракетчиков ABMA стала ядром вновь созданного Космического центра имени Маршалла (MSFC). В марте 1962 года, всего через 10 месяцев после речи Кеннеди, Американское ракетное общество провело свою вторую конференцию по электрическим двигателям. Штулингер стал председателем этой конференции. Около 500 инженеров заслушали 74 технических доклада по широкому кругу тем, связанных с электрическими двигателями, что сделало эту конференцию крупнейшим совещанием по теме электрических ракетных двигателей.
Среди докладов были несколько работ, посвящённых исследованиям ионных двигателей в Лаборатории реактивного движения (JPL). JPL сформировала свою исследовательскую группу по электрическим двигателям в 1959 году и начала их углублённое исследование на следующий год.
Одна из исследовательских групп JPL сравнила различные формы ракетных двигателей, чтобы определить, какие из них, если таковые имелись, могли помочь выполнить 15 автоматизированных научных космических миссий. Миссии включали: пролёты мимо Венеры, Марса, Меркурия, Юпитера, Сатурна и Плутона, а также орбитальные аппараты для исследования Венеры, Марса, Меркурия, Юпитера и Сатурна. В эти миссии также входил запуск зонда на солнечную орбиту которая составляла бы 10% расстояния от Солнца до Земли, а также исследовательские миссии на эклиптические орбиты, которые должны были иметь наклонение 15°, 30° и 45° относительно плоскости эклиптики.
Инженеры Лаборатории реактивного движения (JPL) пришли к мнению, что трехступенчатая ракета-носитель "Нова" (которая должна была использовать традиционное топливо), имевшая по проекту массу в 3175 тонн, могла бы вывести на околоземную орбиту полезную нагрузку массой в 136 тонн. Такая масса полезной нагрузки позволила бы осуществить только восемь из 15 миссий: а именно, пролеты мимо Венеры, Марса, Меркурия, Юпитера и Сатурна; орбитальные аппараты для Венеры и Марса; и миссии на эллиптическую солнечную орбиту наклонением в 15°.
Химико-ядерно-тепловой гибридный носитель, включающий первую ступень Saturn SI, вторую ядерно-тепловую ступень массой в 36 тонн, которая должна была быть разработана на основе ЯРД Kiwi, и еще одну ядерно-тепловую ступень массой в 36 тонн, также имевшую ЯРД Kiwi с полезной нагрузкой, мог бы осуществить 8 миссий, а также миссию с выводом космического аппарата на солнечную орбиту с наклонением в 30°.
Космическая система с ионными двигателями и ядерным реактором мощностью 1500 киловатт стартующая с околоземной орбиты, могла бы выполнить все 15 миссий. Команда JPL сообщила, что неуказанный носитель запустит 45-тонную космическую систему на орбиту высотой 482 км за один запуск. Находясь на околоземной орбите будет активирован ядерный реактор и запущены ионные двигатели, и медленно ускоряющийся космический аппарат начнет постепенно набирать скорость и увеличивать свою орбиту чтобы покинуть притяжение нашей планеты.
Для нескольких миссий к более удаленным планета — например, для пролета мимо Сатурна — у космической системы с ионными двигателями было достаточно времени для ускорения, чтобы достичь своей цели намного раньше, чем у космической системы с химическими и ядерно-тепловыми ракетными двигателями. Такая космическая система также могла бы обеспечить свою полезную нагрузку достаточным количеством электроэнергии, повышая скорость передачи данных. Меньшая по размеру система, с ректором мощностью в 600 киловатт, и ионными двигателями, при массе в 9 тонн, которую можно было бы запустить с помощью ракеты-носителя Saturn C-1, могла бы выполнить все задачи, кроме миссии по выходу на солнечную орбиту с наклонением в 45°.
Однако оставалось много технических проблем. Инженеры JPL, проводившие сравнительное исследование, оптимистично предположили, что на каждый киловатт электроэнергии, потребляемый их 1500-киловаттной системой для создания тяги, потребуется всего 6 кг различного оборудования (реактор, турбогенератор, радиатор, конструкция, проводка). В 1962 году гораздо более реалистичным считалось соотношение примерно 32 кг оборудования на киловатт тяги при максимальной генерирующей мощности всего в 30 киловатт.
Инженеры также предполагали, что система выработки электроэнергии и ионный двигатель смогут работать практически неограниченно долго, несмотря на наличие движущихся частей, работающих при высоких температурах. Например, вращающийся турбогенератор должен был работать непрерывно при температуре около 1100 ° Цельсия в течении нескольких лет. Работа подобного оборудования в течении года считалась в 1962 году смелой задачей.
Ранее, в период с 1960 по 1962 год три инженера JPL разработали конструкцию космического автоматического ядерного парома. 20-тонный "космический крейсер", как назвали свое творение инженеры JPL, должен был иметь площадь радиаторов площадью 186 квадратных метров, что делало его уязвимым для микрометеороидов. В 1962 году было мало известно о количестве микрометеоритов в межпланетном пространстве, поэтому никто не мог точно оценить вероятность пробития такого радиатора, а также массу, необходимую для конструкции устойчивых к повреждениям трубок радиатора, резервных контуров охлаждения или дополнительной охлаждающей жидкости.
Специалисты лишь вскользь упомянули серьезное влияние ионных двигателей и силовых установок на другие системы космического аппарата. Турбогенератор, например, передавал бы всему космическому аппарату крутящий момент, что создавало бы необходимость в наличии системы управления ориентацией, компенсирующей вращение.
Ожидалось, что турбина, и поток охлаждающей жидкости через радиатор будут вызывать вибрацию, которая может помешать работе научных приборов. Кроме того, ионные двигатели неизбежно будут генерировать мощные магнитные и электрические поля, которые могут затруднить многие научные измерения.
Инженеры космического крейсера стремились уменьшить радиационное воздействие, разместив реактор в передней части космического аппарата, а научные приборы — в задней. Это привело к тому что научные приборы были размещены среди ионных двигателей космического крейсера, где возникали бы интенсивные электрические и магнитные поля.
Конструкторы космического крейсера рассматривали термоэлектрическую систему выработку энергии, которая не включала бы движущихся частей. Они не отдали ей предпочтение, поскольку это была новая технология. Кроме того, ядерному реактору термоэлектрической системы потребовалась бы охлаждающая жидкость, циркуляционный насос и радиатор, поэтому с точки зрения вибрации и повреждений от микрометеоритов она представляла бы лишь незначительное улучшение по сравнению с более изученной конструкцией с турбогенератором.
Вскоре после конференции по электрическим двигательным установкам штаб-квартира НАСА приняла решение сосредоточить исследования в области электрических двигательных установок в Исследовательском центре НАСА имени Льюиса в Кливленде. Этот шаг, вероятно, был предпринят для того, чтобы устранить дорогостоящие дублирующие исследовательские программы и позволить JPL и MSFC сосредоточиться на задачах, связанных с космической программой "Аполлон". Однако исследования не ограничились только исследовательскими центрами НАСА MSFC и JPL. К примеру Эрнст Штулингер продолжал разрабатывать проекты пилотируемых космических аппаратов с ионными двигателями.
Но пока около 500 инженеров обсуждали идеи ядерных крейсеров и космических аппаратов с ионными двигателями, молодой американский математик был занят устранением необходимости в использовании ионных двигателей или других мощных ракетных двигателей для достижения и исследования далеких планет Солнечной системы. И это были гравитационные маневры.
Ну а на сегодня у меня все. Спасибо за внимание!