Химия далеко не увезет: Какими двигателями будут оснащены американские межпланетные корабли?

До сих пор практически все космические аппараты оснащались ракетными маршевыми двигателями на химическом топливе. По всей вероятности, для первых полетов на Марс будут использованы ракеты такого же типа.

Но возможности двигателей на химическом горючем значительно ограничены энергетикой окислительно-восстановительных реакций. Все современные ракеты в перерасчете на единицу израсходованного горючего создают не слишком большую тягу. Поэтому в дальний полет, к примеру, к внешним планетам Солнечной системы, сегодня можно отправить лишь относительно легкий аппарат. К тому же траекторию такого корабля прокладывают так, чтобы на пути к месту назначения он разгонялся в гравитационных полях планет или их спутников. Именно поэтому для дальних полетов столь узки стартовые «окна», интервалы времени с благоприятным расположением планет — не в астрологическом смысле, а в соответствии с требованиями небесной механики.

Чтобы корабль смог преодолеть земное притяжение и уйти в странствие к другим мирам, его скорость должна превысить вторую космическую, 11,2 км/с. На практике космические аппараты сперва выводят на околоземную орбиту, а затем уже с нее отправляют в открытый космос. Водородно-кислородный двигатель способен увеличить орбитальную скорость корабля не больше, чем на десять километров в секунду, двигатель на ином химическом топливе — еще меньше. Такие скорости достаточны даже для полета к границам Солнечной системы, хотя и по очень протяженной траектории (и с обязательным использованием планетарного гравитационного ускорения). И хотя корабль с традиционным двигателем сможет достичь самой отдаленной планеты, для этого ему понадобятся долгие годы.

Космические аппараты уже давно оснащают плазменными двигателями. Эта разновидность электрореактивного двигателя вообще не потребляет химического горючего, поскольку обеспечивается энергией от аккумуляторов, радиоизотопных генераторов или солнечных батарей. Основное достоинство плазменного двигателя — долговременное функционирование при относительно небольшом расходе рабочего тела. Однако в нынешнем виде такие двигатели развивают очень слабую тягу, всего несколько граммов. Поэтому они используются для корректировки спутниковых орбит либо для медленного длительного ускорения небольших аппаратов непосредственно в космическом пространстве.

Именно такой мотор (конструкция его разработана калининградским ОКБ «Факел»), построенный французской фирмой Snecma Moteurs, осенью 2003 года вывел с околоземной орбиты европейский зонд SMART-1, который в феврале 2005 года превратился в искусственный спутник Луны.

В качестве рабочего тела в этом двигателе была использована ксеноновая плазма. Разогнанные в электрическом и магнитном полях ионы ксенона выбрасывались в пространство и создавали реактивную тягу. Двигатель PPS-1350 проработал в космосе приблизительно 5000 часов при тяге в 7 г, истратив за это время 80 кг ксенона. В будущем ЕКА предполагает оснастить двигателями этого типа автоматическую станцию BepiColombo, предназначенную для полета к Меркурию, солнечный зонд Solar Orbiter и космический детектор гравитационных волн LISA (Laser Interferometer Space Antenna).

По сравнению с химическими конкурентами удельный импульс плазменных двигателей выглядит просто роскошно. У PPS-1350 этот показатель равен 1640 с, у английского двигателя UK-10, корректирующего орбиты геостационарных спутников связи, почти вдвое больше — около 3100 с. Расход рабочего тела плазменного мотора очень мал, создаваемое им ускорение невелико, и поэтому набор скорости происходит медленно. Однако даже и при таких скромных возможностях плазменный двигатель способен увести корабль с околоземной орбиты и мало-помалу обеспечить ему прирост скорости гораздо больший, чем 10 км/с, но вот времени на это требуется просто прорва. SMART-1 на своем ксеноновом моторчике добирался от Земли до Луны почти полтора года, поскольку двигался не «напрямик», а по раскручивающейся спирали.

Тем не менее дело не совсем безнадежно. Если б можно было построить двигатель с таким же расходом рабочего тела, как у химических ракет, но, по крайней мере, с вдвое большим удельным импульсом, ситуация бы значительно улучшилась. Такой мотор увеличил бы орбитальную скорость космического аппарата не на 10 км/с, а на 20 км/с и даже больше. Корабль с подобными двигателями преодолел бы расстояние от Земли до Сатурна не за семь лет, как зонд «Кассини», а всего за три года.

К счастью, эта задача становится разрешимой, если вместо химических или электрических «разгонщиков» использовать ядерные ракетные двигатели (ЯРД). Они способны обеспечить вполне приемлемые параметры тяги и достаточно высокий удельный импульс, обусловленный огромной скоростью истечения рабочего тела. Очень важно, что для создания ЯРД вовсе не обязательны футуристические технические решения, вполне может хватить уже существующих технологий.

Идея ЯРД проста до глупости, как говорил инженер Гарин о своем гиперболоиде. Источником энергии служит ядерная установка, в которой идут реакции деления, синтеза или даже аннигиляции материи и антиматерии. Выделяемая реактором энергия непосредственно или через промежуточные этапы передается рабочему телу, которое с большой скоростью выбрасывается из ракетных сопел. Конечно, это лишь принципиальная схема. Все прочее — уже конкретные технические решения.

Если оставить за кадром аннигиляцию и прочие полуфантастические идеи, то на сегодня просматриваются две реальные возможности исполнения ЯРД. Одна из них — охлаждение реактора летучим веществом, лучше всего жидким водородом, который после испарения будет уходить через сопла и создавать реактивную тягу. Такую конструкцию принято называть тепловой ядерной ракетой, TNR (Thermal Nuclear Rocket). При использовании реактора на уране или плутонии удельный импульс TNR должен составить от 800 до 1100 секунд. Другая возможность — оснащение корабля небольшой атомной электростанцией (ЯЭУ — ядерная энергоустановка), которая вырабатывает ток для питания электрореактивного двигателя. Удельный импульс этой системы можно довести до 5000 с. В качестве силовой установки можно использовать и компактный термоядерный реактор, но его в самом лучшем случае создадут лет через 50.

Писатели-фантасты и популяризаторы науки заговорили об атомных ракетах еще в 30-е годы ХХ века. В качестве практически достижимой цели ЯРД первым предложил Станислав Улам. Американец польского происхождения, выпускник Львовского политехнического института, Улам был исключительно сильным математиком (он придумал метод Монте-Карло) и физиком-расчетчиком (вместе с Эдвардом Теллером разработал теоретические основы конструкции водородной бомбы). В 1944 году Улам и его лос-аламосский коллега Фредерик де Хоффман впервые просчитали возможности применения ЯРД для космических полетов. Через 11 лет Улам и Корнелиус Эверетт в секретной докладной записке предложили разгонять космические корабли с помощью маломощных ядерных взрывов. Энергия взрыва расходовалась на испарение диска из твердого вещества, расположенного между кормой корабля и ядерным зарядом. Возникающий поток плазмы должен был бы отражаться от кормового экрана и толкать корабль вперед.

Идея Улама и Эверетта легла в основу проекта Orion, над которым в 1958 году начала работать калифорнийская корпорация General Atomics, до этого занимавшаяся только коммерческими ядерными реакторами. Под эту задачу выделил деньги (впрочем, не слишком большие) и Пентагон. До атомных взрывов дело не дошло, испытывались лишь различные модели дисков и экранов. Поначалу участники проекта были исполнены такого оптимизма, что всерьез надеялись запустить атомный корабль к Сатурну не позже 1970 года. Любопытно, что среди них был один из создателей квантовой электродинамики, знаменитый физик-теоретик Фримен Дайсон. Но в начале 1960-х министр обороны Роберт Макнамара пришел к выводу, что в военном плане эта идея бесперспективна. А в 1963-м СССР, США и Великобритания договорились о запрете всех ядерных взрывов, за исключением подземных. В результате проект Orion вступил в противоречие с международным правом и год спустя тихо скончался. Обошелся он в целом не так уж и дорого — всего в $11 млн.

В техническом плане Orion можно считать пульсирующим TNR, вынесенным за пределы космического аппарата. В другом любопытном проекте — Helios — предполагалось детонировать атомные заряды не вне, а внутри корабля, в заполненной водой сферической камере из термостойкого материала. Образовавшийся при взрыве пар должен был выбрасываться через сопла и разгонять ракету.

Но дальше всего в США зашли начатые в 1956 году работы по проекту NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application), цели которых много раз изменялись. В конце концов было решено построить два пилотируемых корабля с ЯРД, которые в начале 1980-х доставили бы 12 американских астронавтов на Марс и возвратили их назад на Землю. В ходе реализации этого проекта с разной степенью успеха были опробованы модели экспериментальных ядерных реакторов Kivi, Phoebus, PEWEE и NF-1. В 1968 году состоялись стендовые испытания прототипа будущего ракетного мотора XE Prime мощностью 1100 МВт, и уже шло дело к изготовлению образца для летных испытаний. Однако в 1972 году программу закрыли, сочтя ее чересчур дорогой и практически ненужной ни в научном, ни в политическом плане.

В последней четверти XX века NASA больше не занималось разработкой ЯРД. Министерство обороны США еще некоторое время сохраняло опытно-конструкторскую программу SNAP (Space Nuclear Thermal Propulsion), но в 1992-м ее финансирование полностью прекратили. Около десяти лет назад небольшая фирма Plus Ultra Technologies обнародовала проект компактного ЯРД Mitee, который в техническом плане был прямым наследником программы SNAP. Она предложила начинять цилиндрические матрицы высокоактивными расщепляющимися материалами, ураном-233 и америцием-242, и прокачивать сквозь эти трубки жидкий водород. Вычисления показали, что испаряющийся газ, разогретый до 3000−35000С, будет вылетать из сопел с огромной скоростью. Предполагалось, что ракета Delta или Atlas выведет космический аппарат на 800-км орбиту, после чего можно будет запустить ЯРД и лететь по назначению — например, к Плутону. Конструкторы утверждали, что такой ЯРД можно построить за 6−7 лет всего за $1 млрд. и что удельный импульс наиболее продвинутого варианта двигателя составит 1600 с. Но поскольку NASA не проявило достаточного интереса, этот проект существует лишь на бумаге.

NASA вернулось к идее ЯРД в 2003 году. Новый проект назвали Prometheus. На первой стадии его осуществления должны быть получены экспертные оценки возможности создания компактного реактора для питания электроракетных двигателей нового поколения. В пару ему предстоит разработать ионный двигатель Heracles с тягой 60 г при удельном импульсе 7000 с, с ресурсом не меньше, чем 7−10 лет. Связка таких двигателей сможет разгонять исследовательские зонды весом в несколько тонн до 80−90 км/с. Первые отчеты о перспективах создания реактора с нужными рабочими характеристиками должны быть опубликованы в 2006 году.

Не так давно сотрудники Лаборатории элементарных частиц университета Пенсильвании предложили использовать для ЯРД термоядерный реактор, в котором процесс синтеза гелия запускается с помощью... антивещества! Топливом служит плазма, состоящая из ядер дейтерия и гелия-3 — легкого радиоактивного изотопа гелия. При слиянии таких ядер рождаются протоны и альфа-частицы, которые обладают вполне солидной суммарной кинетической энергией, равной 18,3 МэВ. Для запуска термоядерного синтеза плазму необходимо сжать и нагреть, чтобы выполнить так называемое условие Лоусона. В реакторе ITER эта задача решена с помощью сверхмощных магнитных полей, для создания которых требуется громоздкое оборудование и огромное количество энергии. Тем не менее реакцию можно зажечь и в небольшой камере, насытив дейтериево-гелиевую плазму антипротонами. При их аннигиляции должны рождаться ударные волны, которые и дожмут плазму до лоусоновского критерия. Антипротоны предполагается хранить в электромагнитной ловушке и закачивать в реактор по мере необходимости. Расчетные характеристики двигателя таковы: ресурс — 22 года, удельный импульс — 61 000 секунд, финальная скорость разгона космического зонда — около 1000 км/с, дальность полета — более 1500 астрономических единиц! К этим фантастическим цифрам остается добавить, пожалуй, только одну: разумный срок перевода этой идеи в металл — не раньше 2050 года.

А что же Европа и Россия? ЕКА изучает возможности ЯРД лишь теоретически. Этим занимается Группа продвинутых концепций (Advanced Concepts Team), уже три года работающая в рамках исследовательских программ Европейского центра по исследованию космических технологий (European Space Technology Research Center). Эти проработки находятся еще в зачаточной стадии.

А вот Россия продвинулась намного дальше всех остальных. Конструкция российских межпланетных кораблей разработана весьма детально. Что же касается ядерных ракетных двигателей, то это единственная страна, где такой двигатель был реально построен и испытан, а число спутников серии «Космос» с ядерными энергетическими установками перевалило за три десятка. О российских планетолетах и ядерных ракетах читайте в следующем номере.