Мечты о Луне реанимируют ядерные двигатели

После ряда экспериментов 1950-1960-х годов и периода забвения этой технологии американские инженеры поговаривают о возможности применения ядерных движков в лунной программе. Мол, если сдуть пыль со старых чертежей, в них можно найти массу полезного.

NASA может сэкономить миллиарды долларов в своей лунной программе, если вновь вернётся к идее ядерных ракетных двигателей. Такую спорную идею выдвинули специалисты американского исследовательского центра по использованию ядерной энергии в космосе (Center for Space Nuclear Research — CSNR).

Применив ядерные ракетные двигатели, можно быстрее и дешевле построить лунную базу, утверждает Стивен Хоу (Steven Howe), директор CSNR, который представил результаты нового исследования на конференции по ядерным космическим технологиям (Space Nuclear Conference 2007), прошедшей на этой неделе в Бостоне.

 

 

Хоу предлагает перевести на ядерную тягу верхнюю ступень новой тяжёлой ракеты Ares V, которая должна составить тандем с более лёгкой ракетой-носителем Ares I в пилотируемой лунной экспедиции NASA.

Напомним, Ares V должен выводить на околоземную орбиту лунный модуль, а Ares I — корабль Orion с экипажем. Около Земли они стыкуются, и далее разгонная ступень от Ares V обеспечит перелёт всей связки к Луне.

Кстати, семейство ракет-носителей Ares построено путём комбинации элементов (баки, двигатели, твердотопливные ускорители), доставшихся от программы шаттлов и Apollo, правда, с модернизацией (об этом рациональном подходе мы подробно говорили, хотя тогда названия Ares ещё не было).

С конца 1950-х по конец 1960-х в США было изготовлено несколько тестовых ядерных двигателей. Справа налево и сверху вниз: Kiwi-A Prime, один из первых опытных "атомных движков"; ядерный двигатель XECF; преднамеренный взрыв двигателя Kiwi путём разгона реактора (имитация нештатной ситуации на старте); один из тестов ракетного двигателя по программе NERVA и транспортёр, вывозящий такой двигатель на испытания (фотографии NASA, Smithsonian Institution и с сайта jpcolliat.free.fr).

Итак, после новых высадок на Луну те же Ares V должны обеспечить транспорт для частей лунной базы. И тут-то, считают в CSNR, ядерный двигатель мог бы оказаться выгоднее химического. Под выгодой они понимают не только лучшие технические характеристики, что понятно, но и затраты, что уже вызывает вопросы.

Напомним, благодаря более высокой температуре рабочего тела и, соответственно, более высокой скорости истечения реактивной струи у ядерного ракетного двигателя заметно больше удельный импульс: 850-1000 секунд против 350-450 у химических ЖРД. Также у ядерных движков неплохое отношение тяги к собственному весу (примерно от 3 до 10 к одному).

А большая эффективность ядерного двигателя означает, что Ares V мог бы доставить на Луну почти 29 тонн груза, вместо 21 тонны в полностью химическом варианте (старт с Земли в обоих случаях должны обеспечить химические двигатели). Так что 250-тонную лунную базу можно будет возвести только за 9, а не 12 запусков, утверждает Хоу.

Он оценивает стоимость одного запуска Ares V в $1,5 миллиарда, а экономию на трёх стартах, как нетрудно подсчитать, в $4,5 миллиарда, разработку же и создание ядерной разгонной ступени — в $2,5-3 миллиарда. Так что выгода остаётся.

Важно отметить, что NASA не придётся начинать проект с нуля. Хоу предлагает отталкиваться от давней программы NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application), в рамках которой четыре десятка лет назад агентство построило несколько моделей ядерных ракетных двигателей с тягой в несколько тонн и успешно их испытало.

Закрытие той программы было в большей степени вызвано политическими причинами (мол, "нет ядерным реакторам в космосе!"), соображениями экологической опасности таких ракет в случае аварии, нежели техническими проблемами.

Схема ядерного ракетного двигателя, созданного по программе NERVA 40 лет назад. Жидкий водород сначала поступает в рубашку охлаждения сопла, а затем — в атомный (урановый) реактор, где нагревается от тепловыделяющих топливных сборок и выбрасывается через сопло. Часть нагретого газа раскручивает трубонасосы (иллюстрация NASA).

Заметим, аналогичные двигатели испытывали и в СССР, причём у нас также победа химических движков и забвение ядерных в большей степени было обусловлено политикой, нежели техникой. При этом "младшие братья" ядерных ракетных монстров — радиоизотопные термоэлектрические генераторы — все эти годы продолжали исправно служить космонавтике (многие межпланетные станции и некоторые спутники питались и питаются именно от таких генераторов), несмотря на ворчание "зелёных".

О том, что возврат к теме ядерных ракетных движков мог бы обеспечить полёт на Марс американские специалисты говорят давно. И если марсианская пилотируемая миссия всё же будет ядерной (а тут возможны варианты), данную технологию хорошо бы сначала опробовать в лунном проекте.

Варианты же исполнения марсианской миссии — это электроракетный (ионный) привод с питанием от солнечных батарей или от того же ядерного реактора (но служащего исключительно для выработки электроэнергии), либо ионный привод в сочетании с химическими разгонными блоками на начальной стадии полёта. Однако чисто ядерный вариант (с ядерным тепловым ракетным движком) — тоже имеет право на рассмотрение.

Но разве не опасность радиоактивного двигателя послужила одной из причин отказа от так резво стартовавших исследований по ядерным ракетным движкам по обе стороны океана?

Хоу говорит, что ядерное топливо, заключённое в прочную тугоплавкую оболочку из вольфрамового сплава, выдержит даже аварию ракеты-носителя на старте (её химической ступени). Так что целые топливные сборки можно будет потом подобрать на местности.

Сам же реактор не будет запущен вплоть до вывода ядерной ступени на околоземную орбиту. Стало быть, прошедший через каналы в активной зоне водород (рабочее тело) не попадёт в атмосферу планеты.

А это эскиз марсианского пилотируемого корабля с двухрежимной ядерной установкой, разработанной в центре Гленна (Glenn Research Center) в 2003 году. В этом проекте тепловой ядерный ракетный двигатель вначале на полной мощности разгоняет комплекс к Марсу, а на маршруте работает на "минимальных оборотах", играя роль бортовой электростанции за счёт встроенного турбоэлектрогенератора. Искусственная гравитация в кабине экипажа обеспечивается раскруткой всего комплекса (рисунок внизу) (иллюстрация с сайта grc.nasa.gov).

Что до радиации, исходящей от ядерного двигателя, то при надлежащей защите (масса которой будет вполне умеренной) его уровень излучения будет намного ниже, чем уровень космической радиации, которой подвергнутся астронавты на маршруте Земля-Луна. Так утверждает Роберт Синглетерри (Robert Singleterry), специалист по радиационной безопасности центра Лэнгли (Langley Research Center).

Потому ядерную верхнюю ступень можно будет, по идее, использовать не только для транспортировки на Селену элементов лунной базы, но и для разгона по тому же маршруту связки "лунный посадочный модуль — корабль Orion".

И пусть официально NASA возвращается на Луну исключительно лишь на химических ЖРД, в научных центрах агентства в последние годы наблюдается активизация исследовательских работ в области тепловых ядерных движков. Пусть ещё работ – бумажных.

А значит, после очень громкого, но холостого выстрела 1950-1960-х годов на новом уровне технологий космонавтика может вернуться к этой теме.

Статья о науки и техники получена: Membrana.ru