Неслухняна ядерна тяга: що заважає створити космічний корабель з ядерним двигуном

Ідея атомного вибухольоту виявилася нежиттєздатною ще до того, як була збудована перша діюча модель такого апарата. Тож для створення ефективного космічного двигуна, що працює завдяки ядерній реакції, люди звернулися до не таких простих, але безпечніших і стабільніших способів, і почали експериментувати з реактивними ядерними ракетними двигунами.

Найпростіша схема ядерного двигуна

Насправді реактивний ядерний двигун не такий уже й складний агрегат. По суті, він використовує те саме розширення газів у результаті нагрівання, що й хімічні двигуни, але, оскільки ядерні реакції здатні нагрівати газ до значно вищих температур, ніж хімічні, то і швидкість витікання робочого тіла з такого двигуна буде значно вищою. А чим вища швидкість тим вищий питомий імпульс.

Теоретична схема двигуна така. З якоїсь зі сполук урану (якомога більш тугоплавкої) робляться плити та ставляться в ряд на невеликій відстані одна від одної. Оскільки маса плит перевищує критичну, починається ланцюгова реакція, і збірка  перетворюється на ядерний реактор. З одного з її боків всередину подається робоче тіло, зазвичай рідкий водень.  Він сприймає від плит надлишкову енергію, виконуючи роль охолоджувача реактора, і при цьому сам нагрівається. З протилежного боку збірки розташоване сопло, крізь яке водень викидається, створюючи тягу.

Американські ядерні двигуни

Практичне опрацювання вказаної схеми розпочалося далекого 1955 року, одночасно з розробленням атомного вибухольоту. Називався цей проєкт Rover.  Спочатку ним займалося Міністерство оборони, а згодом — NASA. У межах  проєкту були проведені випробування під назвою KIWI. Ядерний двигун, зібраний за вищезгаданою схемою, тестувався в наземних умовах.

Вибух двигуна KIWI.

Пластини двигуна KIWI спочатку робили з оксиду урану, потім застосовували діоксид урану, але результат був однаковий: двигун працював, створював тягу та навіть демонстрував питомий імпульс, удвічі більший, ніж у найдосконаліших хімічних ракет, а потім вибухав. Виявилося, що потік водню викликав стрімку корозію пластин. Коли  їх замінили на більш стійкі з карбіду урану, це значною мірою зменшило корозію, але повністю її не зупинило.

Продовженням проєкту Rover став NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application), який у NASA розробляли з початку 1960-х і майже до середини 1970-х років. За основу взяли вже перевірену схему Rover і створили ядерний двигун NERVA NRX, який повинен був видавати тягу близько 75 тисяч фунтів (35 тонн) і використовуватись у космічному просторі. Для нього побудували випробувальний полігон, на якому він мав рухати важкий візок по рейках.

NERVA та місячна програма

Випробування розпочалися 1964 року, і вже до 1966-го двигун був готовий до  випробування в космосі. Щоправда, параметри він мав  дещо скромні: розмір —  6,9 м, тяга 55 тис. фунтів за питомого імпульсу 7 км/с. Проте навіть за таких параметрів він був найкращим за будь-який хімічний двигун того часу.

Двигун NERVA.

Розроблення ядерного двигуна у США відбувалося в тісному зв’язку з місячною програмою, у складі якої була місячна база. Тож корабель на основі NERVA мав стати буксиром, що доправляв би її компоненти з навколоземної орбіти на орбіту навколо Місяця. Запускався би він із ядерним ракетним двигуном як верхній ступінь ракети Saturn, але працював би в космосі досить тривалий час.

Цим планам не судилося здійснитися. Паралельно NASA розробляла проєкт «космічного човника», що незабаром став програмою Space Shuttle, основною метою якої було освоєння низької навколоземної орбіти. Цей проєкт був значно дешевшим та реалістичнішим за програму освоєння Місяця, й аерокосмічна адміністрація вирішила зосередитися на ньому. Усі місячні проєкти включно із NERVA були закриті.

Першу модель ядерного ракетного двигуна XE встановлюють на тестовий стенд №1 на Станції розробки ядерних двигунів (Джекесс Флетс, Невада) для випробувань в режимі «холодного потоку» — без завантаження радіоактивних матеріалів.

В інших країнах теж експериментували з ядерним двигуном. Конструкції на кшталт NERVA випробовувалися у Великобританії, Італії, Ізраїлі та СРСР. Але в жодному з проєктів двигуни так і не вийшли за межі наземних випробувань.

Fissiоn-fragment rocket

Швидке руйнування пластин з урану, яке заважало побудувати надійний ядерний двигун, наштовхнуло вчених на думку, що цей елемент можна використати для створення тяги. Так з’явилася концепція fissiоn-fragment rocket ракетного двигуна на фрагментах ділення. Конструктори вирішили взагалі відмовитися від подачі робочого тіла на пластини реактора.  Натомість самі вони являли собою диски  з вуглецевої нитки, вкритої шаром урану, й оберталися всередині камери з охолоджувачем, через що відбувалася дуже стрімка корозія матеріалу. Частинки дисків у результаті ядерної реакції розігрівалися до температур у десятки тисяч градусів і вилітали крізь сопло з величезною швидкістю, завдяки своїй великій густині забезпечуючи значний  питомий імпульс. Теоретичні розрахунки показали, що останній може сягнути 100 тис. секунд.

Основною проблемою такого двигуна є високі витрати радіоактивних матеріалів. Звичайно, використовувати його в атмосфері Землі ніхто не буде, але й у космосі витрати ядерного палива занадто вагомі. Щоб знизити їх, у 1987 році запропонували замінити уран чи плутоній у дисках на америцій значно важчий елемент, який не зустрічається у природі, але може бути штучно вироблений. Його частки  у процесі розпаду мають значно більшу енергію, а отже, на виготовлення дисків для двигуна потрібно було значно менше америцію. Але проєкт так і лишився нереалізованим.

Рідкофазний ядерний двигун

Так чи інакше, ефективність ядерного ракетного двигуна визначається температурою всередині нього. Але цю температуру не можна нарощувати нескінченно, адже при кількох тисячах градусів починають плавитися навіть уран, графіт і вольфрам. Це призвело до появи ще однієї концепції ядерного двигуна рідкофазного.

У рідкофазному ядерному двигуні ядро реактора перебуває в рідкому стані, тобто у принципі розраховане на те, щоб працювати у розплавленому вигляді. Власне, ядерним реакціям це зовсім не заважає. Проблема полягає лише у тому, щоб не дати рідкому урану розлетітися вусібіч і не зруйнувати двигун. Ще більшою проблемою є те, що робоче тіло (рідкий водень, як і у випадку твердофазного двигуна) буде перемішуватися з рідким ураном, і тяга просто не виникне.

Розв’язанням цих проблем є швидке обертання рідкого уранового ядра, внаслідок чого відцентрова сила відкидатиме його з вісі двигуна, у той час, як значно легший водень продовжуватиме текти посередині. І обертання, і захист корпусу від контакту з розплавленим ураном планується здійснювати за допомогою магнітного поля. Очікується, що значно вищі температури у такому двигуні дозволять досягти питомого імпульсу в 1300–1500 с, тобто 13–15 км/с, що відповідає швидкості витікання.

Солеводний ядерний ракетний двигун

Наведена вище схема рідкофазного двигуна на сьогодні лишається за межею можливостей земних інженерів. Жоден із фахівців не знає, як до неї підступитися. Саме тому 1991 року Роберт Зубрін запропонував альтернативну конструкцію, яка отримала назву «солеводний ядерний двигун».

У чомусь ця ідея дуже схожа на fissiоn-fragment rocket. Основною проблемою всіх традиційних ядерних двигунів є питання взаємодії робочого тіла з енерговиділяючою збіркою ядерного палива, якого ніяк не вдається уникнути й у твердотільних, і в рідкотільних реакторах. Тому Зубрін запропонував використовувати замість тугоплавких пластин водні розчини солей радіоактивних елементів. У результаті ядерної реакції частинки цієї рідини досягають високих температур і викидаються назовні, створюючи тягу. Таким чином, ядерне паливо відіграє також роль робочого тіла та прискорює саме себе.

Завдяки тому, що реакції у двигуні Зубріна відбуваються за межами корпусу пристрою, в них може бути досягнута значно вища температура, ніж у всіх ядерних двигунах, створених до того. Розрахунки показують, що швидкість витікання робочого тіла з сопла може складати 66–67 км/с, що забезпечує питомий імпульс, порівнюваний зі значеннями, які можна отримати лише  в іонних і плазмових двигунах. При цьому тяга у такому двигуні сягатиме 12 млн Н, чого ані іонні, ані плазмові двигуни не можуть забезпечити у найближчій перспективі.

Попри те, що солеводний ядерний двигун значно простіший за традиційну конструкцію рідкофазного, він все ще достатньо ненадійний і складний у керуванні, а також вимагає значних витрат ядерного палива. Факел від нього є сильно радіоактивним, через що використання такого двигуна для старту з поверхні Землі неприпустиме. Всі перелічені недоліки призвели до того, що за тридцять років з моменту, коли ця конструкція була запропонована, жоден її експериментальний зразок так і не був випробуваний.

Газофазний ядерний ракетний двигун

Але і на цьому можливості підвищення ефективності ядерного ракетного двигуна не вичерпані. Можна ще більше підняти температуру всередині нього та підвищити таким чином його питомий імпульс. Щоправда, в цьому випадку уранове паливо перейде вже у газоподібну фазу. Ядерним реакціям це, знову-таки, не чинить перепон, але підтримувати стабільну роботу такого реактора ще важче.

Інженери пропонують «закрутити» газоподібний уран магнітним полем, щоб він циркулював всередині камери. А газоподібний водень має текти навколо нього та прискорюватися за рахунок тепла ядерної реакції. Така конструкція може забезпечити фантастичний питомий імпульс у 30-50 км/с, але технічно зробити це майже неможливо.

Альтернативою цьому методу є утримання газоподібного урану всередині кварцевого контейнера. Така конструкція, яку називають «лампочка», здається більш реалістичною, але потужність і питомий імпульс у цьому випадку значно скромніші. Останній, наприклад, становить усього 15–20 км/с. У будь-якому разі жодного експериментального зразка газофазного ядерного двигуна на сьогодні не існує.

Імпульсний ядерний ракетний двигун

З назвою цього типу двигуна виникла невелика плутанина. Річ у тім, що інколи так називають двигун атомних вибухольотів. Однак 2016 року була запропонована нова конструкція твердофазного ядерного ракетного двигуна, яка теж отримала назву імпульсного, і зараз під нею найчастіше розуміють  саме цей тип.

На перший погляд, цей двигун подібний до звичайного твердотільного реактора зі збіркою енерговиділяючих елементів. Він може працювати у режимі звичайного ядерного двигуна на кшталт NERVA. Але йому також доступний імпульсний режим, у якому температура робочого тіла може сягати кількох тисяч градусів.

Досягається це за допомогою нейтронних імпульсів. Якщо у субкритичній масі ядерного палива дуже різко почати ядерну реакцію, то миттєво виділиться надлишкова кількість нейтронів, які полетять вусібіч. В енергетичних реакторах такого розвитку подій зазвичай уникають, але дослідницькі реактори часто працюють саме в імпульсному режимі, швидко «вмикаючи» та «вимикаючи» ядерну реакцію.

Щоправда, донедавна через технічні особливості таких реакторів частота імпульсів нечасто сягала вище одного імпульсу за 10 секунд. Однак нещодавно виявилося, що коли літій перебуває у рідкому стані (а настає цей стан за відносно невисоких температур), він здатний миттєво зупиняти потік нейтронів і гасити тим самим ядерну реакцію. Крім того, літій є гарним охолоджувачем. Якщо по трубопроводу охолодження прокачувати цей метал крізь реактор в імпульсному режимі, то сам реактор починає працювати у режимі нейтронних спалахів, які відбуваються з частотою до кількох на секунду.

Нейтрони зі спалаху поглинаються воднем, що виступає як робоче тіло, внаслідок чого його температура сягає значень, яких можна було б досягти лише у двигуні з рідкою фазою ядерного палива. Саме паливо при цьому залишається відносно холодним, і його корозія зменшується.

Ядерні двигуни непрямої дії

Усі перелічені вище типи ядерних двигунів передбачають пряме використання ядерної енергії. У них саме та теплова енергія, що була вироблена внаслідок ядерної реакції, використовується для отримання прискорення. Крім них, є ще атомні двигуни непрямої дії, у яких ядерний реактор використовується для отримання електричного струму, і вже цей струм живить двигун іншого типу іонний або плазмовий.

У цьому випадку досить важко сказати, чи взагалі належить ядерний реактор до двигуна, адже його потужність використовується не лише для того, аби живити електромагнітний двигун, але й щоб забезпечити роботу всіх інших систем на борту корабля.

По суті, такі двигуни є саме плазмовими чи іонними й мають усі їхні переваги та недоліки. З тою лише різницею, що на потужності у цьому випадку можна не економити. Особливо вдало поєднується ядерний реактор із плазмовим двигуном, якому для розкриття його потенціалу не вистачає потужного джерела енергії.

Майбутнє ядерних двигунів

Якщо подивитися на історію створення ядерних ракетних двигунів, то зрозуміло, що, на відміну від плазмових, останні 40 років їхні проєкти не доходять навіть до стадії експериментальних зразків, які випробовуються на Землі. Це при тому, що цілком робочий зразок ядерного двигуна був отриманий ще у 1960-х роках у межах проєкту NERVA.

Такий вигляд має в уявленні художника пілотований корабель Orion, приєднаний до міжпланетного перелітного модуля з ядерним ракетним двигуном і двома баками рідкого водню. Такий модуль у перспективі дозволить скоротити подорож до Марса до 2–3 місяців (у порівнянні з 7–8 місяцями для сучасних автоматичних апаратів)

Можна назвати кілька причин того, що зараз у лабораторіях можна побачити переважно ядерні двигуни непрямої дії. Частково це пояснюється їхньою складністю. Рідкофазні та газофазні двигуни все ще потребують інженерних знань, яких у нас немає. Але головна причина відсутності практичних розробок радіофобія. З 1960-х років люди стали більше боятися всього, що називається «атомним».

Варто сказати, що у деяких випадках ці страхи цілком обґрунтовані. Два види ядерних двигунів, що поєднують у собі реалістичність і надзвичайно високу потужність двигун на фрагментах ділення та солеводний ядерний двигун здатні забруднити довгоживучими радіоактивними ізотопами атмосферу не менше, ніж вибух ядерного реактора, бо, по суті, вони і є керованим вибухом такого реактора.

А ось твердотільні ядерні двигуни хоч і мають певний радіоактивний викид, але  досить незначний. І якщо не для старту з поверхні, то на траєкторіях до Місяця й інших планет вони цілком можуть бути використані.

При цьому тяга та питомий імпульс таких двигунів, які були неймовірними у 1960-ті, зараз уже такими не здаються. Вони цілком порівнювані з показниками плазмових двигунів, які живляться від ядерних реакторів. Яка зі схем виявиться кращою, покаже час. Цілком можливо, що років за 20 ядерні двигуни прямої та непрямої дії будуть використовуватися паралельно.

Автор: кандидат технічних наук Олександр Бурлака

Ця стаття була опублікована у №5(186) 2021 року журналу Universe Space Tech. Придбати цей номер в електронній чи паперовій версії можна у нашому магазині.