Ідея кидати за корму атомні бомби в проекті «Оріон» виявилася занадто брутальною, але обсяги енергії, які дає реакція ядерного розщеплення, не кажучи вже про синтез, вкрай привабливі для космонавтики. Тому було створено безліч не-імпульсних систем, позбавлених від проблем зі зберіганням сотень ядерних бомб на борту і циклопічних амортизаторів. Про них сьогодні ми і поговоримо.
Ядерна фізика на пальцях
Що таке ядерна реакція? Якщо пояснювати дуже просто, картина буде приблизно наступна. Зі шкільної програми ми пам'ятаємо, що речовина складається з молекул, молекули з атомів, а атоми - з протонів, електронів і нейтронів (є рівні нижче, але нам вистачить і цього). Деякі важкі атоми мають цікаву властивість - якщо в них потрапляє нейтрон, вони розпадаються на більш легкі атоми і випускають кілька нейтронів. Якщо ці випущені нейтрони потраплять в інші важкі атоми, які знаходяться поруч, розпад повториться, і ми отримаємо ланцюгову ядерну реакцію. Рух нейтронів з великою швидкістю означає, що цей рух перетворюється на тепло при уповільненні нейтронів. Тому атомний реактор - це дуже потужний нагрівач. Їм можна кип'ятити воду, отриманий пар направити на турбіну, і отримати атомну електростанцію. А можна нагрівати водень і викидати його назовні, отримавши ядерний реактивний двигун. З цієї ідеї народилися перші двигуни - NERVA і РД-0410.
NERVA
Історія проекту
Формальне авторство (патент) на винахід атомного ракетного двигуна належить Річарду Фейнману, згідно з його ж мемуарами «Ви, звичайно ж жартуєте, містер Фейнман». Книга, до речі, всіляко рекомендується до прочитання. Лос-Аламоська лабораторія почала розробляти ядерні ракетні двигуни в 1952 році. У 1955 році було розпочато проект Rover. На першому етапі проекту, KIWI, було побудовано 8 експериментальних реакторів і з 1959 по 1964 рік вивчалося продування робочого тіла крізь активну зону реактора. Для часової прив'язки проект «Оріон» існував з 1958 по 1965 рік. У «Ровера» були другий і третій етапи, які вивчали реактори більшої потужності, але NERVA базувалася на Kiwi через плани першого випробувального пуску в космосі 1964 року. Терміни поступово з'їхали, і перший наземний пуск двигуна NERVA NRX/EST (EST - Engine System Test - тест рухової системи) відбувся в 1966 році. Двигун успішно пропрацював дві години, з яких 28 хвилин склала робота на повній тязі. Другий двигун NERVA XE був запущений 28 раз і пропрацював в цілому 115 хвилин. Двигун був визнаний придатним для космічної техніки, а випробувальний стід був готовий до випробувань нових зібраних двигунів. Здавалося, що NERVA чекає блискуче майбутнє - політ на Марс в 1978, постійна база на Місяці в 1981, орбітальні буксири. Але успіх проекту викликав паніку в Конгресі - місячна програма виявилася дуже дорогою для США, марсіанська програма виявилася б ще дорожчою. У 1969 і 1970 роках фінансування космосу серйозно скорочувалося - були скасовані «Аполлони» -18,19 і 20, і величезні обсяги грошей на марсіанську програму ніхто б не став виділяти. У підсумку робота за проектом велася без серйозного підживлення грошима і в підсумку він був закритий в 1972 році.
Конструкція
Водень з бака надходив у реактор, нагрівався там, і викидався назовні, створюючи реактивну тягу. Водень був обраний як робоче тіло тому, що у нього легкі атоми, і їх простіше розігнати до великої швидкості. Чим більша швидкість реактивного вихлопу - тим ефективніший ракетний двигун.
Віддзеркалювач нейтронів використовувався для того, щоб нейтрони поверталися назад у реактор для підтримки ланцюгової ядерної реакції.
Керуючі стрижні використовувалися для управління реактором. Кожен такий стрижень складався з двох половин - відбивача і поглинача нейтронів. Коли стрижень повертався відбивачем нейтронів, їхній потік у реакторі збільшувався і реактор підвищував тепловіддачу. Коли стрижень повертався поглиначем нейтронів, їхній потік у реакторі зменшувався, і реактор знижував тепловіддачу.
Водень також використовувався для охолодження сопла, а теплий водень від системи охолодження сопла обертав турбонасос для подачі нових порцій водню.
Двигун у роботі. Водень підпалювався спеціально на виході з сопла, щоб уникнути загрози вибуху, в космосі горіння б не було.
Двигун NERVA створював тягу 34 тонни, приблизно в півтора рази менше двигуна J-2, що стояв на другому і третьому ступенях ракети «Сатурн-V». Питомий імпульс становив 800-900 секунд, що було вдвічі більше кращих двигунів на паливній парі «кисень-водень», але менше ЕРД або двигуна «Оріона».
Трохи про безпеку
Тільки що зібраний і не запущений ядерний реактор з новими, ще не працювали паливними збірками досить порожній. Уран отруйний, тому необхідно працювати в рукавичках, але не більше. Ніяких дистанційних маніпуляторів, свинцевих стін та іншого не потрібно. Весь випромінюючий бруд з'являється вже після запуску реактора через нейтронів, «псують» атоми корпусу, теплоносія і т. п. Тому, в разі аварії ракети з таким двигуном радіаційне зараження атмосфери і поверхні було б невеликим, і звичайно ж, було б сильно менше штатного старту «Оріона». У разі ж успішного старту зараження було б мінімальним або взагалі відсутнє, тому що двигун мав би запускатися у верхніх шарах атмосфери або вже в космосі.
РД-0410
Радянський двигун РД-0410 має схожу історію. Ідея двигуна народилася наприкінці 40-х років серед піонерів ракетної та ядерної техніки. Як і в проекті Rover початковою ідеєю була атомний повітряно-реактивний двигун для першого ступеня балістичної ракети, потім розробка перейшла в космічну галузь. РД-0410 розроблявся повільніше, вітчизняні розробники захопилися ідеєю газофазного ЯРД (про це буде нижче). Проект було розпочато у 1966 році і тривав до середини 80-х років. В якості мети для двигуна називалася місія «Марс-94» - пілотований політ на Марс в 1994 році.
Схема РД-0410 аналогічна NERVA - водень проходить через сопло і відбивачі, охолоджуючи їх, подається в активну зону реактора, нагрівається там і викидається.
За своїми характеристиками РД-0410 був краще NERVA - температура активної зони реактора становила 3000 К замість 2000 К у NERVA, а питомий імпульс перевищував 900 с. РД-0410 був легше і компактніше NERVA і розвивав тягу в десять разів менше.
Випробування двигуна. Бічний факел ліворуч внизу підпалює водень, щоб уникнути вибуху.
Розвиток твердофазних ЯРД
Ми пам'ятаємо, що чим вище температура в реакторі, тим більше швидкість закінчення робочого тіла і тим вище питомий імпульс двигуна. Що заважає підвищити температуру в NERVA або РД-0410? Справа в тому, що в обох двигунах тепловидільні елементи знаходяться в твердому стані. Якщо підвищити температуру, вони розплавляться і вилетять назовні разом з воднем. Тому для Більших температур необхідно придумати якийсь інший спосіб здійснення ланцюгової ядерної реакції.
Двигун на солях ядерного палива
У ядерній фізиці є таке поняття як критична маса. Згадайте ланцюгову ядерну реакцію на початку посту. Якщо атоми, що діляться, знаходяться дуже близько один до одного (наприклад, їх обжали тиском від спеціального вибуху), то вийде атомний вибух - дуже багато тепла в дуже невеликі терміни. Якщо атоми обжаті не так щільно, але потік нових нейтронів від ділення зростає, вийде тепловий вибух. Звичайний реактор в таких умовах вийде з ладу. А тепер уявімо, що ми беремо водний розчин матеріалу (наприклад, солей урану) і подаємо їх безперервно в камеру згоряння, забезпечуючи там масу більше критичної. Вийде безперервно палаюча ядерна «свічка», тепло від якої розганяє ядерне паливо і воду, що прореагувало.
Ідея була запропонована в 1991 році Робертом Зубріним і, за різними підрахунками, обіцяє питомий імпульс від 1300 до 6700 з при тязі, що вимірюється тоннами. На жаль, подібна схема має і недоліки:
- Складність зберігання палива - необхідно уникати ланцюгової реакції в баку, розміщуючи паливо, наприклад, в тонких трубках з поглинача нейтронів, тому баки будуть складними, важкими і дорогими.
- Велика витрата ядерного палива - справа в тому, що ККД реакції (кількість витрачених атомів) буде дуже низькою. Навіть в атомній бомбі матеріал «згорає» не повністю, тут же Більша частина цінного ядерного палива буде викидатися даремно.
- Наземні тести практично неможливі - вихлоп такого двигуна буде дуже брудним, брудніше навіть «Оріона».
- Є деякі питання щодо контролю ядерної реакції - не факт, що проста в словесному описі схема буде легкою в технічній реалізації.
Газофазні ЯРД
Наступна ідея - а що, якщо ми створимо вихор робочого тіла, в центрі якого буде йти ядерна реакція? У цьому випадку висока температура активної зони не буде доходити до стінок, поглинаючись робочим тілом, і її можна буде підняти до десятків тисяч градусів. Так народилася ідея газофазного ЯРД відкритого циклу:
Газофазний ЯРД обіцяє питомий імпульс до 3000-5000 секунд. У СРСР було розпочато проект газофазного ЯРД (РД-600), але він не дійшов навіть до стадії макета.
«Відкритий цикл» означає, що ядерне паливо буде викидатися назовні, що, звичайно, знижує ККД. Тому була придумана наступна ідея, що діалектично повернулася до твердофазних ЯРД - давайте оточимо область ядерної реакції досить термостійкою речовиною, яка буде пропускати випромінюване тепло. Як таку речовину запропонували кварц, тому що при десятках тисяч градусів тепло передається випромінюванням і матеріал контейнера повинен бути прозорим. Вийшов газофазний ЯРД закритого циклу, або ж «ядерна лампочка»:
У цьому випадку обмеженням для температури активної зони буде термічна міцність оболонки «лампочки». Температура плавлення кварцу 1700 градусів Цельсія, з активним охолодженням температуру можна підвищити, але, в будь-якому випадку, питомий імпульс буде нижче відкритої схеми (1300-1500 с), але ядерне паливо буде витрачатися економнею, і вихлоп буде чистішим.
Альтернативні проекти
Крім розвитку твердофазних ЯРД є й оригінальні проекти.
Двигун на фрагментах, що діляться
Ідея цього двигуна полягає у відсутності робочого тіла - їм служить відпрацьоване ядерне паливо, що викидається. У першому випадку з матеріалів, що діляться, робляться підкритичні диски, які не запускають ланцюгову реакцію самі по собі. Але якщо диск помістити в реакторну зону з відбивачами нейтронів, запуститься ланцюгова реакція. А обертання диска і відсутність робочого тіла призведе до того, що високоенергетичні атоми полетять у сопло, генеруючи тягу, а не атоми, що розпалися, залишаться на диску і отримають шанс при наступному обігу диска:
Ще більш цікава ідея полягає в створенні пилової плазми (згадаємо «плазмовий кристал» на МКС) з матеріалів, в якій продукти розпаду наночастинок ядерного палива іонізуються електричним полем і викидаються назовні, створюючи тягу:
Обіцяють фантастичний питомий імпульс в 1 000 000 секунд. Ентузіазм охолоджує той факт, що розробка знаходиться на рівні теоретичних досліджень.
Двигуни на ядерному синтезі
У ще більш віддаленій перспективі створення двигунів на ядерному синтезі. На відміну від реакцій розпаду ядер, де атомні реактори були створені майже одночасно з бомбою, термоядерні реактори досі не пересунулися з «завтра» в «сьогодні» і використовувати реакції синтезу можна тільки в стилі «Оріона» - кидаючись термоядерними бомбами.
Ядерна фотонна ракета
Теоретично можна розігріти активну зону до такої міри, що тягу можна буде створювати, відбиваючи фотони. Незважаючи на відсутність технічних обмежень, подібні двигуни на поточному рівні технології невигідні - тяга буде занадто маленькою.
Радіоізотопна ракета
Цілком робочим буде ракета, що нагріває робоче тіло від РІТЕГу. Але РІТЕГ виділяє порівняно мало тепла, тому такий двигун буде дуже малоефективним, хоча і дуже простим.
Ув'язнення
На поточному рівні технології можна зібрати твердотільний ЯРД в стилі NERVA або РД-0410 - технології освоєні. Але такий двигун буде програвати зв'язці «атомний реактор + ЕРД» за питомим імпульсом, виграючи по тязі. А більш просунуті варіанти є поки тільки на папері. Тому особисто мені більш перспективною здається зв'язка «реактор + ЕРД».
Джерела інформації
Головне джерело інформації - англійська Вікіпедія і ресурси, зазначені в ній як посилання. Як не парадоксально, але цікаві статті за ЯРД є на Традиції - твердофазний ЯРД і газофазний ЯРД. Стаття про двигуни на фрагментах і пиловий плазмі.