Схема ядерного ракетного двигателя NERVA, 1972 г, источник
Ядерные ракетные двигатели (ЯРД) ведут давнюю историю с 60-х гг прошлого века, после чего были забыты на десятилетия. Последние испытания ЯРД в США состоялись более 50-ти лет назад в рамках проектов NERVA и Rover.
Однако технологии не стоят на месте — и благодаря последним достижениям в области аэрокосмических материалов и инженерных разработок теперь ЯРД наконец-то созрели для практического использования в космосе.
▍ DRACO
Рендер космического аппарата DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), который разрабатывает Lockheed Martin совместно с BWX Technologies. Последняя специализируется на изготовлении ядерных реакторов для ВМС США
В 2023 году НАСА и DARPA заключили соглашение о запуске программы Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (демонстрационная ракета для манёвренных цислунарных операций, DRACO) для демонстрации в космосе ядерного ракетного двигателя (ЯРД) на тепловой тяге. По плану подрядчики должны разработать и продемонстрировать передовую технологию ядерной тепловой тяги уже в 2027 году. Ядерный двигатель является важным условием подготовки к полётам на Марс в экипаже, говорится в заявлении НАСА.
Рендер транзитной обитаемой базы с ядерным двигателем на орбите Марса, источник
DARPA выступает в качестве подрядчика по разработке всей ступени и двигателя, который включает в себя реактор. Как указано выше, конструкторские работы сейчас ведут компании Lockheed Martin и BWX Technologies. Сама DARPA руководит процессом, включая интеграцию и закупку ракетных систем, согласование, составление графиков, обеспечение безопасности и ответственности, а также общую сборку и интеграцию двигателя с космическим аппаратом.
В то время как реакторы 50-х гг работали на высокообогащённом уране, DRACO использует новое топливо: высокопробный низкообогащённый уран (high-assay-low-enriched uranium, HALEU), из которого сделать бомбу довольно трудно, хотя возможно.
DRACO — корабль среднего размера, длиной менее 15 м и диаметром 5,4 м. Габариты продиктованы размерами стандартного обтекателя ракеты Vulcan Centaur, на которой его планируют запустить.
Vulcan Centaur
DRACO работает как ракеты типа NERVA из 60-х гг: водородные баки в головной части двигательного отсека, турбомашины подают водород через активную зону прямо за ними, но отделены от неё радиационным щитом. Реактор HALEU окружён барабанами управления и расположен перед выхлопным соплом.
Согласно требованиям DARPA, удельный импульс DRACO ограничен 700 секундами, что более, чем на 300 секунд лучше, чем у RL-10, самого мощного химического космического двигателя на сегодняшний день.
Главная техническая проблема — хранение жидкого водорода при температуре −253 °С. На экспериментальном аппарате DRACO компания Lockheed выбрала пассивное охлаждение водорода. Резервуары будут теплоизолированы, чтобы Солнце их не нагревало. Для более длительных миссий ядерные придётся использовать активное охлаждение.
▍ Ядерные ракетные двигатели
В ядерном ракетном двигателе для создания чрезвычайно высоких температур используется ядерный реактор. Тепло, вырабатываемое реактором, передаётся жидкому топливу (рабочему телу), которое расширяется и выводится через сопло для приведения в движение космического аппарата. Ядерные тепловые ракеты в три и более раз эффективнее обычных химических двигателей за счёт большей температуры нагрева топлива.
Теоретически, существует несколько типов ЯРД:
На практике мы видим, что сейчас близки к реализации двигатели, использующие тепловую энергию.
ЯРД сокращает время полёта, что снижает риск для астронавтов. Сокращение времени полёта — ключевой компонент для полётов человека на Марс, поскольку более длительные путешествия требуют большего количества припасов и более надёжных систем. Максимальный «пробег» ракеты имеет квадратную зависимость от температуры выхлопных газов. Другими словами, чем выше температура нагрева топлива — тем меньше его нужно для полёта, в этом главная польза ядерного реактора.
Среди преимуществ ЯРД — увеличение полезной нагрузки и повышение мощности приборов и средств связи.
Имитация ядерного элемента ракетного двигателя (нагрев вместо деления ядер) в Центре космических полётов имени Маршалла в НАСА, источник
Как уже говорилось, это довольно старая идея, а ядерные ракетные двигатели проектировали в США и СССР более полувека назад, в 60-е и 70-е гг.
Диаграмма ядерного реактора Kiwi для проекта Rover, источник
В СССР работы по ЯРД начались в 1955 году. На первом этапе был выполнен расчётно-теоретический анализ принципиальных схем ЯРД, сформулированы основные проблемы, определяющие возможность их создания. В результате обсуждения были выбраны две наиболее перспективные схемы:
- на основе реактора с твёрдофазной активной зоной (с твёрдыми поверхностями теплообмена),
- на основе реактора с газофазной активной зоной (делящееся вещество в активной зоне реактора находится в плазменном состоянии, а рабочее тело нагревается излучением).
В 1958 году было подписано постановление правительства о создании ЯРД. К работам подключались десятки исследовательских, проектных и конструкторских организаций. Центром научных исследований стал Центр Келдыша.
В дальнейшем двигатель ЯРД активно разрабатывался конструкторским бюро «Химавтоматика» (КБХА) в Воронеже: РД-0410 был первым и единственным советским ЯРД. Реактор прошёл значительную серию испытаний, но ни разу не испытывался на полную длительность работы.
РД-0410
В США первым экспериментальным ректором стал Kiwi-A, а испытания 1 июля 1959 года показали, что концепция работает.
Испытания Kiwi-A, фото: Лос-Аламосская национальная лаборатория
За 18 лет НАСА, Комиссия по атомной энергии (AEC) и коммерческие подрядчики вроде Aerojet Corporation сконструировали и протестировали 23 ядерных реактора. Последним был XE Prime, который довели до уровня технической готовности TRL 6 (tech readiness level 6). Следующий седьмой уровень TRL предполагает уже испытания в космосе.
Последние испытания ядерного ракетного двигателя Phoebus 2A состоялись 26 июня 1968 года. Двигатель отработал 12 минут на полной мощности и доказал, что способен доставить людей на Марс:
Phoebus 2A
Но в итоге от него решили отказаться. Основной причиной отказа стало то, что приоритеты НАСА и СССР сместились с освоения дальнего космоса в сторону орбитальных аппаратов (спутники Земли и баллистические ракеты), а для них ядерные двигатели не требуются.
Сейчас можно сказать, что старые проекты снова достают с полки. Специалисты считают, что благодаря новым технологиям теперь реально можно использовать ЯРД в космосе: «В рамках сотрудничества с DARPA мы будем использовать опыт, накопленный в ходе многих предыдущих проектов по космической ядерной энергетике и двигателям, — сказал Джим Рейтер, помощник администратора Управления космических технологий НАСА (STMD). — Последние достижения в области аэрокосмических материалов и инженерных разработок открывают новую эру для космических ядерных технологий».
Ядерные реакторы планируется запустить не только на кораблях, но также на поверхности Луны и Марса.
В рамках проекта Fission Surface Power (использование атомной энергии на поверхности планет) министерство энергетики США одобрило разработку трёх проектов ядерных электростанций на Луне и Марсе для программы «Артемида». Вот один из концептов:
НАСА и министерство энергетики работают над ещё одним проектом по разработке более высокотемпературного ядерного топлива с дизайном нового реактора. Это долгосрочный проект на будущее, он пока на стадии разработки и не входит в программу двигателя DRACO. Также идёт поиск материалов, которые надёжно выдерживают температуру выше 2500 °С в прямом контакте с реактором.
▍ Небольшое послесловие о ядерном оружии и безопасности
Критики утверждают, что вывод ядерного топлива на орбиту представляет угрозу из-за возможной аварии ракеты во время подъёма. После аварии ядерное топливо может «потеряться» и использоваться для сборки самодельных грязных бомб.
Самодельные ядерные бомбы давно вызывают интерес у исследователей. Ещё в 1977 году региональная американская газета Youngstone Vindicator писала про 21-летнего студента факультета космических и механических наук Принстонского университета по имени Джон Аристотель Филипс (John Aristotle Philips), который написал 34-страничную курсовую работу с описанием грязной бомбы весом 57 кг (60 см в диаметре). Хотя схему и инструкцию по изготовлению он составил из открытых источников в университетской библиотеке и получил высшую оценку от преподавателя, это не спасло парня от визита агентов ФБР, которые конфисковали курсовую.
Иллюстрация из газеты Youngstone Vindicator, 8 мая 1977 года, скан
Филипс сказал, что все компоненты для изготовления бомбы можно найти в открытой продаже примерно за $2000, кроме плутония. Его требуется примерно 6,96 кг, то есть шар размером с большой апельсин и стоимостью в несколько сотен тысяч долларов на сегодняшние цены (2024 г). По мнению учёных, предложенная Филипсом конструкция «практически гарантированно сработает», хотя он описал «технологии 20-летней давности».
У потенциального злоумышленника есть несколько способов, где достать ядерное топливо. Его можно украсть или купить на чёрном рынке. Минимум шесть атомных бомб считаются потерянными, они до сих пор не найдены. Это только известные случаи. По экспертным оценкам, количество потерянных боеголовок — около полусотни. Все они являются потенциальным источником урана и плутония для самодельных устройств.
Подъём термоядерной бомбы B28, которая случайно упала с бомбардировщика B-52G в 1966 году и потерялась, источник
После 2022 года специалисты прогнозируют новый виток гонки ядерных вооружений с увеличением ядерных арсеналов в ближайшее десятилетие. Например, Китай в 2022 году строил более 300 новых ракетных шахт, а Франция начала разработку атомной подводной лодки с баллистическими ракетами третьего поколения. Ядерные боеголовки имелись у девяти стран, включая Израиль (90) и КНДР (20). Практически все они намерены модернизировать свои арсеналы.
Затонувшая атомная подлодка USS Scorpion с двумя торпедами Mark 45 находилась под водой 54 года, источник
Безусловно, с ядерным топливом следует обращаться как можно осторожнее. Но научно-технический прогресс не стоит на месте. И кажется, что технологии изготовления ядерных реакторов и вооружения становятся всё доступнее, в том числе для небольших стран и отдельных энтузиастов.
DRACO — один из первых космических аппаратов с ядерным реактором. Но не последний. Разработки по ЯРД возобновлены также в РФ (ЯЭДУ, ядерная энергодвигательная установка мощностью 1 МВт) и Китае (тоже мегаваттного класса).
Проект китайского космического аппарата с ядерным двигателем, источник
Техническую разработку американского аппарата возглавляет Управление космических технологий НАСА. Если посмотреть на список проваленных или просроченных проектов НАСА, то его перспективы могут показаться сомнительными. Но ни о каких задержках пока не сообщалось.
Космические испытания DRACO запланированы на 2027 год.
© 2024 ООО «МТ ФИНАНС»
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻
