Непослушная ядерная тяга: что мешает создать космический корабль с ядерным двигателем

Идея атомного взрыволета оказалась нежизнеспособной еще до того, как была построена первая действующая модель такого аппарата. Поэтому для создания эффективного космического двигателя, работающего благодаря ядерной реакции, люди обратились к не таким простым, но более безопасным и стабильным способам, и начали экспериментировать с реактивными ядерными ракетными двигателями.

Самая простая схема ядерного двигателя

На самом деле реактивный ядерный двигатель — не такой уж и сложный агрегат. По сути, он использует то же расширение газов в результате нагрева, что и химические двигатели, но, поскольку ядерные реакции способны нагревать газ до значительно более высоких температур, чем химические, то и скорость вытекания рабочего тела из такого двигателя будет значительно выше. А чем выше скорость — тем выше удельный импульс.

Теоретическая схема двигателя такова. Из какой-то из соединений урана (как можно более тугоплавкой) делаются плиты и ставятся в ряд на небольшом расстоянии друг от друга. Поскольку масса плит превышает критическую, начинается цепная реакция, и сборка превращается в ядерный реактор. С одной из ее сторон внутрь подается рабочее тело, обычно жидкий водород. Он принимает от плит избыточную энергию, выполняя роль охладителя реактора, и при этом сам нагревается. С противоположной стороны сборки расположено сопло, сквозь которое водород выбрасывается, создавая тягу.

Американские ядерные двигатели

Практическая проработка указанной схемы началась в далеком 1955 году, одновременно с разработкой атомного взрыволета. Назывался этот проект Rover. Сначала им занималось Министерство обороны, а впоследствии — NASA. В рамках проекта были проведены испытания под названием KIWI. Ядерный двигатель, собранный по вышеупомянутой схеме, тестировался в наземных условиях.

Взрыв двигателя KIWI.

Пластины двигателя KIWI сначала делали из оксида урана, затем применяли диоксид урана, но результат был одинаков: двигатель работал, создавал тягу и даже демонстрировал удельный импульс, вдвое больший, чем у самых совершенных химических ракет, а затем взрывался. Оказалось, что поток водорода вызвал стремительную коррозию пластин. Когда их заменили на более устойчивые из карбида урана, это в значительной степени уменьшило коррозию, но полностью ее не остановило.

Продолжением проекта Rover стал NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application), который в NASA разрабатывали с начала 1960-х и почти до середины 1970-х годов. За основу взяли уже проверенную схему Rover и создали ядерный двигатель NERVA NRX, который должен был выдавать тягу около 75 тысяч фунтов (35 тонн) и использоваться в космическом пространстве. Для него построили испытательный полигон, на котором он должен был двигать тяжелую тележку по рельсам.

NERVA и лунная программа

Испытания начались в 1964 году, и уже к 1966-му двигатель был готов к испытанию в космосе. Правда, параметры он имел несколько скромные: размер — 6,9 м, тяга — 55 тыс. фунтов при удельном импульсе 7 км/с. Однако даже при таких параметрах он был лучше любого химического двигателя того времени.

Двигатель NERVA.

Разработка ядерного двигателя в США происходила в тесной связи с лунной программой, в составе которой была лунная база. Поэтому корабль на основе NERVA должен был стать буксиром, который доставлял бы ее компоненты с околоземной орбиты на орбиту вокруг Луны. Запускался бы он с ядерным ракетным двигателем как верхняя ступень ракеты Saturn, но работал бы в космосе достаточно длительное время.

Этим планам не суждено было осуществиться. Параллельно NASA разрабатывала проект «космического челнока», вскоре ставший программой Space Shuttle, основной целью которой было освоение низкой околоземной орбиты. Этот проект был значительно дешевле и реалистичнее программы освоения Луны, и аэрокосмическая администрация решила сосредоточиться на нем. Все лунные проекты, включая NERVA, были закрыты.

Первую модель ядерного ракетного двигателя XE устанавливают на тестовый стенд №1 на Станции разработки ядерных двигателей (Джекесс Флетс, Невада) для испытаний в режиме «холодного потока» — без загрузки радиоактивных материалов.

В других странах тоже экспериментировали с ядерным двигателем. Конструкции вроде NERVA испытывались в Великобритании, Италии, Израиле и СССР. Но ни в одном из проектов двигатели так и не вышли за пределы наземных испытаний.

Fissiоn-fragment rocket

Быстрое разрушение пластин из урана, которое мешало построить надежный ядерный двигатель, натолкнуло ученых на мысль, что этот элемент можно использовать для создания тяги. Так появилась концепция fissiоn-fragment rocket — ракетного двигателя на фрагментах деления. Конструкторы решили вообще отказаться от подачи рабочего тела на пластины реактора. Вместо этого сами они представляли собой диски из углеродной нити, покрытой слоем урана, и вращались внутри камеры с охладителем, из-за чего происходила очень стремительная коррозия материала. Частицы дисков в результате ядерной реакции разогревались до температур в десятки тысяч градусов и вылетали сквозь сопло с огромной скоростью, благодаря своей большой плотности обеспечивая значительный удельный импульс. Теоретические расчеты показали, что последний может достичь 100 тыс. секунд.

Основной проблемой такого двигателя является высокий расход радиоактивных материалов. Конечно, использовать его в атмосфере Земли никто не будет, но и в космосе расходы ядерного топлива слишком весомые. Чтобы снизить их, в 1987 году предложили заменить уран или плутоний в дисках на америций — значительно более тяжелый элемент, который не встречается в природе, но может быть искусственно произведен. Его частицы в процессе распада имеют значительно большую энергию, а значит, на изготовление дисков для двигателя нужно было значительно меньше америция. Но проект так и остался нереализованным.

Жидкофазный ядерный двигатель

Так или иначе, эффективность ядерного ракетного двигателя определяется температурой внутри него. Но эту температуру нельзя наращивать бесконечно, ведь при нескольких тысячах градусов начинают плавиться даже уран, графит и вольфрам. Это привело к появлению еще одной концепции ядерного двигателя — жидкофазного.

В жидкофазном ядерном двигателе ядро реактора находится в жидком состоянии, то есть в принципе рассчитано на то, чтобы работать в расплавленном виде. Собственно, ядерным реакциям это совсем не мешает. Проблема заключается лишь в том, чтобы не дать жидкому урану разлететься во все стороны и не разрушить двигатель. Еще большей проблемой является то, что рабочее тело (жидкий водород, как и в случае твердофазного двигателя) будет перемешиваться с жидким ураном, и тяга просто не возникнет.

Решением этих проблем является быстрое вращение жидкого уранового ядра, в результате чего центробежная сила будет отбрасывать его с оси двигателя, в то время как значительно более легкий водород будет продолжать течь посередине. И вращение, и защиту корпуса от контакта с расплавленным ураном планируется осуществлять с помощью магнитного поля. Ожидается, что значительно более высокие температуры в таком двигателе позволят достичь удельного импульса в 1300–1500 с, то есть 13–15 км/с, что соответствует скорости вытекания.

Солеводный ядерный ракетный двигатель

Приведенная выше схема жидкофазного двигателя на сегодня остается за гранью возможностей земных инженеров. Ни один из специалистов не знает, как к ней подступиться. Именно поэтому в 1991 году Роберт Зубрин предложил альтернативную конструкцию, которая получила название «солеводный ядерный двигатель».

В чем-то эта идея очень похожа на fissiоn-fragment rocket. Основной проблемой всех традиционных ядерных двигателей является вопрос взаимодействия рабочего тела с энерговыделяющей сборкой ядерного топлива, которого никак не удается избежать и в твердотельных, и в жидкотельных реакторах. Поэтому Зубрин предложил использовать вместо тугоплавких пластин водные растворы солей радиоактивных элементов. В результате ядерной реакции частицы этой жидкости достигают высоких температур и выбрасываются наружу, создавая тягу. Таким образом, ядерное топливо играет также роль рабочего тела и ускоряет само себя.

Благодаря тому, что реакции в двигателе Зубрина происходят за пределами корпуса устройства, в них может быть достигнута значительно более высокая температура, чем во всех ядерных двигателях, созданных до того. Расчеты показывают, что скорость вытекания рабочего тела из сопла может составлять 66–67 км/с, что обеспечивает удельный импульс, сравнимый со значениями, которые можно получить только в ионных и плазменных двигателях. При этом тяга в таком двигателе будет достигать 12 млн Н, чего ни ионные, ни плазменные двигатели не могут обеспечить в ближайшей перспективе.

Несмотря на то, что солеводный ядерный двигатель значительно проще традиционной конструкции жидкофазного, он все еще достаточно ненадежен и сложен в управлении, а также требует значительных затрат ядерного топлива. Факел от него сильно радиоактивен, из-за чего использование такого двигателя для старта с поверхности Земли недопустимо. Все перечисленные недостатки привели к тому, что за тридцать лет с момента, когда эта конструкция была предложена, ни один ее экспериментальный образец так и не был испытан.

Газофазный ядерный ракетный двигатель

Но и на этом возможности повышения эффективности ядерного ракетного двигателя не исчерпаны. Можно еще больше поднять температуру внутри него и повысить таким образом его удельный импульс. Правда, в этом случае урановое топливо перейдет уже в газообразную фазу. Ядерным реакциям это, опять-таки, не препятствует, но поддерживать стабильную работу такого реактора еще труднее.

Инженеры предлагают «закрутить» газообразный уран магнитным полем, чтобы он циркулировал внутри камеры. А газообразный водород должен течь вокруг него и ускоряться за счет тепла ядерной реакции. Такая конструкция может обеспечить фантастический удельный импульс в 30-50 км/с, но технически сделать это почти невозможно.

Альтернативой этому методу является удержание газообразного урана внутри кварцевого контейнера. Такая конструкция, которую называют «лампочка», кажется более реалистичной, но мощность и удельный импульс в этом случае значительно скромнее. Последний, например, составляет всего 15–20 км/с. В любом случае ни одного экспериментального образца газофазного ядерного двигателя на сегодня не существует.

Импульсный ядерный ракетный двигатель

С названием этого типа двигателя возникла небольшая путаница. Дело в том, что иногда так называют двигатель атомных взрыволетов. Однако в 2016 году была предложена новая конструкция твердофазного ядерного ракетного двигателя, которая тоже получила название импульсного, и сейчас под ней чаще всего понимают именно этот тип.

На первый взгляд, этот двигатель похож на обычный твердотельный реактор со сборкой энерговыделяющих элементов. Он может работать в режиме обычного ядерного двигателя вроде NERVA. Но ему также доступен импульсный режим, в котором температура рабочего тела может достигать нескольких тысяч градусов.

Достигается это с помощью нейтронных импульсов. Если в субкритической массе ядерного топлива очень резко начать ядерную реакцию, то мгновенно выделится избыточное количество нейтронов, которые полетят во все стороны. В энергетических реакторах такого развития событий обычно избегают, но исследовательские реакторы часто работают именно в импульсном режиме, быстро «включая» и «выключая» ядерную реакцию.

Правда, до недавнего времени из-за технических особенностей таких реакторов частота импульсов нечасто достигала выше одного импульса в 10 секунд. Однако недавно оказалось, что когда литий находится в жидком состоянии (а наступает это состояние при относительно невысоких температурах), он способен мгновенно останавливать поток нейтронов и гасить тем самым ядерную реакцию. Кроме того, литий является хорошим охладителем. Если по трубопроводу охлаждения прокачивать этот металл через реактор в импульсном режиме, то сам реактор начинает работать в режиме нейтронных вспышек, которые происходят с частотой до нескольких в секунду.

Нейтроны из вспышки поглощаются водородом, выступающим в качестве рабочего тела, в результате чего его температура достигает значений, которых можно было бы достичь только в двигателе с жидкой фазой ядерного топлива. Само топливо при этом остается относительно холодным, и его коррозия уменьшается.

Ядерные двигатели непрямого действия

Все вышеперечисленные типы ядерных двигателей предусматривают прямое использование ядерной энергии. В них именно та тепловая энергия, которая была выработана в результате ядерной реакции, используется для получения ускорения. Кроме них, есть еще атомные двигатели непрямого действия, в которых ядерный реактор используется для получения электрического тока, и уже этот ток питает двигатель другого типа — ионный или плазменный.

В этом случае довольно трудно сказать, относится ли вообще ядерный реактор к двигателю, ведь его мощность используется не только для того, чтобы питать электромагнитный двигатель, но и чтобы обеспечить работу всех других систем на борту корабля.

По сути, такие двигатели являются именно плазменными или ионными и имеют все их преимущества и недостатки. С той лишь разницей, что на мощности в этом случае можно не экономить. Особенно удачно сочетается ядерный реактор с плазменным двигателем, которому для раскрытия его потенциала не хватает мощного источника энергии.

Будущее ядерных двигателей

Если посмотреть на историю создания ядерных ракетных двигателей, то понятно, что, в отличие от плазменных, последние 40 лет их проекты не доходят даже до стадии экспериментальных образцов, которые испытываются на Земле. Это при том, что вполне рабочий образец ядерного двигателя был получен еще в 1960-х годах в рамках проекта NERVA.

Так выглядит в представлении художника пилотируемый корабль Orion, присоединенный к межпланетному перелетному модулю с ядерным ракетным двигателем и двумя баками жидкого водорода. Такой модуль в перспективе позволит сократить путешествие к Марсу до 2–3 месяцев (по сравнению с 7–8 месяцами для современных автоматических аппаратов)

Можно назвать несколько причин того, что сейчас в лабораториях можно увидеть преимущественно ядерные двигатели непрямого действия. Частично это объясняется их сложностью. Жидкофазные и газофазные двигатели все еще требуют инженерных знаний, которых у нас нет. Но главная причина отсутствия практических разработок — радиофобия. С 1960-х годов люди стали больше бояться всего, что называется «атомным».

Стоит сказать, что в некоторых случаях эти страхи вполне обоснованы. Два вида ядерных двигателей, сочетающих в себе реалистичность и чрезвычайно высокую мощность — двигатель на фрагментах деления и солеводный ядерный двигатель — способны загрязнить долгоживущими радиоактивными изотопами атмосферу не меньше, чем взрыв ядерного реактора, потому что, по сути, они и являются управляемым взрывом такого реактора.

А вот твердотельные ядерные двигатели хоть и имеют определенный радиоактивный выброс, но весьма незначительный. И если не для старта с поверхности, то на траекториях к Луне и другим планетам они вполне могут быть использованы.

При этом тяга и удельный импульс таких двигателей, которые были невероятными в 1960-е, сейчас уже таковыми не кажутся. Они вполне сопоставимы с показателями плазменных двигателей, которые подпитываются от ядерных реакторов. Какая из схем окажется лучше, покажет время. Вполне возможно, что лет через 20 ядерные двигатели прямого и непрямого действия будут использоваться параллельно.

Автор: кандидат технических наук Александр Бурлака

Эта статья была опубликована в №5(186) 2021 года журнала Universe Space Tech. Купить этот номер в электронной или бумажной версии можно в нашем магазине.