Отправляемся на реактивном двигателе в межпланетное путешествие

25.12.2020

Как сказал Билл Эмрих, один из ведущих инженеров по разработке ядерных тепловых ракетных элементов в НАСА: «Илон Маск и другие хотят доставить людей на Марс и основать там колонию. Если вы хотите отправиться на Марс и оставить людей на Марсе, вы можете сделать это с помощью химических ракет. Это будет трудный, но возможный путь. Но если вы хотите вернуть людей на Землю, вы почти вынуждены использовать ядерные ракеты. А в НАСА мы больше заинтересованы в том, чтобы возвращать людей домой».

Идея ядерных ракетных двигателей, которая возникла еще в 1940-х казалась многим крайне привлекательной, т.к. сделала бы межпланетные путешествия для нас обыденным делом. Тема оказалась сложной, и ни одна из мировых держав до сих пор не смогла похвастаться действительно рабочим прототипом ракеты с ядерной установкой… Хотя кажется, не все так безнадежно: НАСА приготовила для нас интересные новости о своих новых разработках! Теперь обо всем по порядку:

Топливо решает

Ядерные реакторы могут производить энергию и тягу, необходимые для быстрой доставки большого космического корабля на Марс и, при желании, даже за его пределы. Важно отметить, что ядерные двигатели предназначены только для межпланетных путешествий, а не для использования в атмосфере Земли: химические ракеты выводят аппарат за пределы низкой околоземной орбиты и только тогда уже срабатывает ядерная двигательная установка.

Задача заключалась в том, чтобы сделать эти ядерные двигатели безопасными и легкими. Как сказал главный инженер по управлению космическими технологиями НАСА Джефф Шихи: «ключевой технологией, которую необходимо усовершенствовать, является именно топливо». Нужно, чтобы топливо могло выдерживать сверхвысокие температуры и летучие условия в ядерном тепловом двигателе. Недавно две американские компании заявили, что их топливо достаточно надежно для безопасного, компактного и высокопроизводительного реактора. Фактически, одна из этих компаний уже предоставила НАСА детальный концептуальный проект.

Ядерная тепловая двигательная установка использует энергию, выделяемую в результате ядерных реакций, для нагрева жидкого водорода примерно до 2430 ° C, что примерно в восемь раз превышает температуру активной зоны ядерных электростанций. Пропеллент расширяется и выбрасывается в сопла с огромной скоростью. Это может обеспечить вдвое большую тягу на массу топлива по сравнению с химической ракетой, позволяя кораблям с ядерными двигателями путешествовать дольше и быстрее. Кроме того, оказавшись в пункте назначения, будь то спутник Сатурна Титан или Плутон, ядерный реактор может переключиться с силовой установки на источник энергии, что позволит аппарату отправлять обратно высококачественные данные в течение многих лет.

Чтобы получить достаточную тягу от ядерной ракеты, раньше требовался оружейный высокообогащенный уран. Низкообогащенное урановое топливо, используемое на коммерческих электростанциях, было бы более безопасным в использовании, однако оно может стать хрупким и развалиться под воздействием высоких температур и химических воздействий со стороны чрезвычайно реактивного водорода.

Три месяца — и вы на Марсе

Компания из Сиетла Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies разработала концепцию нового двигателя с ядерным тепловым движением (NTP) и доставила его в НАСА. Специалисты обещают, что их разработка позволит добраться до Марса всего за три месяца. По словам космического директора компании Майкла Идса, их концептуальный двигатель намного безопаснее своих предшественников и может производить удельный импульс вдвое больше своих химических собратьев. Их особенность топлива будет состоять в том, что будет иметь полностью керамическую микрокапсулу для питания реактора двигателя, а также основываться на уране с обогащением выше 5 % и ниже 20 %, которое проявляет себя значительно лучше, чем топливо для энергетических реакторов, но «не может быть использовано для гнусных целей, поэтому это значительно снижает риски эксплуатации», — говорит Идс. Топливо компании содержит микроскопические частицы уранового топлива с керамическим покрытием, диспергированные в матрице карбида циркония. Микрокапсулы удерживают радиоактивные побочные продукты деления внутри, позволяя уйти теплу.

Другая компания — BWX Technologies (Линчбург, штат Вирджиния), также сотрудничащая с НАСА, помимо разработок конструкций, использующих вышеуказанную форму топлива, предлагает альтернативный вариант: топливо, заключенное в металлическую матрицу.

Две компании предлагают две различные модели замедления энергетических нейтронов, образующихся при делении в целях поддержания цепной реакции, позволяющие избежать повреждений конструкции реактора. BWX размещает свои топливные блоки между гидридными элементами, а уникальная конструкция USNC-Tech включает в себя замедлитель из металлического бериллия. «Наше топливо остается целым, выдерживает условия горячего водорода и радиации и не поглощает все нейтроны реактора», — говорит Идс.