Реактор на орбите

Весной прошлого года, после того как Россия объявила о десятилетней программе создания гражданского космического корабля с ядерной энергетической установкой, администрация президента Трампа поручила НАСА возобновить американские исследования в области технологий ядерных двигателей (1) и выделила для этого дополнительные ресурсы. Ядерная гонка в космосе… — нет, не началась. Он вернулся.

Соединенные Штаты когда-то были бесспорным лидером в области космических технологий. В 60-х годах они создали, например. проект Орион, концепция создания ракет, работающих на импульсах ядерных взрывов, настолько мощных, что они позволяют транспортировать целые города в космическое пространство и даже совершать пилотируемые полеты на Альфу Центавра.

Однако в следующем десятилетии все эти фантастические программы были отложены на долгие годы. Наконец-то пришло время стряхнуть пыль со старой концепции ядерных двигателей в космосе — главным образом потому, что конкуренты, особенно Россия, недавно проявили большой интерес к этой технологии.

Марцени фон Брауна

Ядерно-тепловые ракеты, как сейчас чаще всего обсуждают подобные проекты, определенно ускорили бы путешествие, например, на Марс, но это не безрисковая техника. Еще в 1961 году НАСА и Комиссия по атомной энергии вместе работали над идеей ядерного теплового двигателя, или НТП.

Инициатором этого исследования был знаменитый Вернер фон Браун, бывший нацист, служивший Третьему рейху, а затем работавший на американцев, который тогда надеялся, что уже в 80-х годах с помощью этой техники на Марс будут летать пилотируемые миссии.

Химическая ракета Он работает путем сжигания легковоспламеняющегося химического вещества, а затем выпускает выхлопные газы из сопла. Согласно третьему закону Ньютона, на каждое действие есть одно и то же противодействие. Таким образом, ракета получает тягу, направленную против потока выбрасываемых газов.

Ядерная ракета он работает аналогичным образом, только с использованием других ингредиентов. Урановое топливо расщепляется в нем, выделяя огромное количество тепла. Нагревает водород почти до 2500°С. Затем он выбрасывается из сопла ракеты с повышенной скоростью, обеспечивая в два-три раза большую эффективность движения, чем химическая модель.

Использование ядерной тепловой ракеты сократило бы время полета к Марсу вдвое — возможно, даже до ста дней, а это означает, что космонавты используют меньше ресурсов и меньшую радиационную нагрузку на экипаж.

Есть еще одно большое преимущество. Ядерная ракета могла бы позволить запустить миссию в то время, когда Земля и Марс не находятся в идеальном положении друг против друга. Не надо было бы ждать два года очередного «окна».

Вышеупомянутый риск, связанный с использованием такой технологии, среди прочего, на том, что бортовой реактор был бы дополнительным источником радиации в ситуации, когда космос уже несет в себе огромную угрозу подобного характера. Это еще не все. Ядерный тепловой двигатель нельзя запускать в атмосфере Земли из-за опасения возможного взрыва и заражения. Поэтому к взлету планируются обычные ракеты, чтобы не упустить самый затратный этап, связанный с выводом массы на орбиту с Земли.

Первые испытания ядерных ракет состоялись в 1955 году, по инициативе Лос-Аламосской научной лаборатории. проект . За несколько лет инженеры построили и испытали более десятка реакторов разного размера и мощности. Затем НАСА поставило цель пилотируемых полетов на Марс (см. Также:).

В конце 60-х годов американское агентство запустило еще одну программу — НЕРВА ()путем разработки технологий, чтобы сделать строительство ядерной ракеты (2), которая доставит людей на Марс, реальностью.

2. Схема системы НАСА — НЕРВА

Затем ядерный двигатель был испытан в пустыне Невада. Первая версия, НЕРВА NRX, наконец, был приведен в действие почти на два часа, а на полную мощность — на 28 минут. В рамках программы также был испытан самый мощный из когда-либо построенных ядерных реакторов Phoebus-2A, способный производить 4 атомных электростанций. МВт мощности на 12 минут. Хотя отдельные компоненты так и не были собраны в готовую к полету ракету, инженеры остались довольны результатами испытаний.

Однако вскоре политический и экономический ветер в США подул в другую сторону, и вместо экспедиции на Марс была запущена программа строительства космических челноков. Программа разработки ядерных двигателей была закрыта в 1973 году.

Не только конкурентное давление, но и технологические достижения делают ядерные тепловые двигатели сегодня более привлекательными, чем раньше. В 60-х единственным топливом, которое можно было использовать, был высокообогащенный уран (см. также:). Теперь инженеры считают, что могут справиться с низкообогащенным ураном. Это было бы безопаснее для работы и позволило бы провести больше испытаний ракетных объектов. Также было бы легче улавливать и удалять радиоактивные частицы в выхлопных газах, а общая стоимость работы с этой технологией была бы снижена.

Новые импульсы в этом направлении могут ускорить строительство ядерной ракеты. Однако стоит знать, что НАСА никогда не отказывалось от своего интереса к этому типу двигателей. Об этом свидетельствует исследовательский проект агентства под названием ДЕРЕВЬЯ (). Вождение Уильям Эмрих и его группа использует большую имитирующую камеру для изучения реакции материалов на сильное нагревание без затрат и риска эксплуатации полностью ядерного двигателя (3), как это было в 60-х годах.

3. Симулятор ракеты NTREES, рассчитанный на экстремальные температуры.

В 2017 году, до разговоров о необходимости вернуться к этой технологии, НАСА заключило с BWX Technologies трехлетний контракт стоимостью 19 млн долларов на разработку компонентов топлива и реакторов, необходимых для создания ядерного двигателя.

Ранее, в 1987-1991 гг., она осуществлялась поочередно Projekt — своеобразное продолжение работы над системой NERVA, но с использованием гораздо более легких и эффективных конструкций. Позже, в т.ч. это сработало программа Прометей, т. е. исследовательская программа, запущенная НАСА в 2003 году для разработки ядерной энергетики и технологий двигателей большой мощности. Это был первый проект по использованию ядерной энергии для приведения в движение космических зондов НАСА после отмены программы NERVA в 70-х годах. Программа «Прометей» была отменена в 2005 году и обошлась в 464 миллиона долларов, а на 2006 финансовый год было выделено еще 100 миллионов долларов, 90 из которых покроют расторжение существующих контрактов.

Одна из новейших концепций космической ядерной силовой установки НАСА заключается в следующем. Swarm-Probe, активирующий реактор ATEG (SPEAR)использовать новый облегченный замедлитель реактора и усовершенствованные термоэлектрические генераторы (АТЭГ) для значительного снижения общей массы активной зоны. Это потребует снижения рабочей температуры и общего уровня мощности ядра. Уменьшенная масса приведет к меньшей мощности двигателя, что в конечном итоге приведет к созданию небольшого недорогого электрического космического корабля с ядерной силовой установкой.

Цель всей этой деятельности будет заключаться в разработке космического корабля, который будет поддерживать очень низкие общие затраты и позволит выполнять различные миссии в дальнем космосе.

Условие состоит в том, чтобы поддерживать массу и объем достаточно низкими для коммерческого запуска объекта с помощью ракеты Minotaur IV и использовать низкообогащенный уран. Текущие оценки для этого класса миссий предсказывают, что он сохранит возможность доставки минимум десяти малых исследовательских спутников массой 7 кг (т) каждый на орбиту спутника Юпитера, Европы, на борту корабля общей массой 1100 т. кг и длиной 4 м, что соответствует требованиям коммерческих ракет-носителей.

Интересно, что история ядерных двигателей полна гораздо более смелых, никогда не материализованных концепций, таких как термоядерные реактивные двигатели. Бассард Рэмджет, или концептуальный межзвездный термоядерный прямоточный воздушно-реактивный двигатель, названный в честь Роберт В. Бассард, ядерные фотонные ракеты или даже паруса с ядерными двигателями.

На данный момент, Анатолий Перминов, бывший глава Федерального космического агентства России, объявляет, что он будет разрабатывать космический корабль с ядерной установкой для путешествий в дальний космос, предлагая свой собственный уникальный подход. Эскизный проект был завершен к 2013 году, и следующие девять лет запланированы на разработку. Эта система должна представлять собой комбинацию производства ядерной энергии с ионным двигателем.

Предполагается, что горячий газ из реактора с температурой 1500°C будет вращать турбины, вращая генератор, вырабатывающий электричество для ионного двигателя. По словам Перминова, двигатель сможет обеспечить полет человека на Марс, а благодаря ядерной энергии космонавты смогут находиться на Красной планете тридцать дней. В общей сложности полет на Марс с ядерным двигателем и постоянным ускорением занял бы всего шесть недель вместо восьми месяцев, если предположить, что тяга в триста раз больше, чем с химическим двигателем.

Между тем, однако, в августе 2019 года в Сарове, Россия, на Белом море произошел интригующий взрыв — возможно, реактора в составе жидкостного ракетного двигателя. Связана ли эта катастрофа с российской программой исследований ядерных двигателей, как описано выше?

Fusion Drive еще быстрее

Использование в двигателях ядерного синтеза не за горами.

Это тоже не такая уж новая концепция, ведь Орион тоже учитывался в вышеупомянутом проекте термоядерные взрывыи не только обычные ядерные. Боинг запатентовал термоядерную двигательную установку, также для ракет, несколько лет назад, но ничего не известно о том, были ли созданы какие-либо прототипы.

Возможно, нам не придется ждать десятилетиями «термоядерный двигатель». В течение некоторого времени исследовательская группа из Принстонской лаборатории физики плазмы (4) работала над концепцией, названной Прямой фьюжн-драйв. Идея основана на термоядерном реакторе Принстонская конфигурация с обратным полем, составленный в 2002 году Сэмюэлем Коэном. Горячая гелий-3 и дейтериевая плазма здесь находятся в магнитной ловушке, как в токамаках. Как и ракета деления, термоядерная ракета предназначена для нагрева топлива до высоких температур, а затем выпускает его в сопло, создавая тягу.

4. Визуализация диска Princeton Satellite Systems

Исследователи считают, что прямой двигатель, основанный на ядерном синтезе, сможет доставить 10-тонный космический корабль к Сатурну всего за два года или однотонный космический корабль с Земли к Плутону примерно за четыре года. Поскольку это также будет термоядерный реактор мощностью один мегаватт, он будет обеспечивать питанием все приборы космического корабля, как только он прибудет в назначенное место, — и гораздо больше, чем ядерные батареи, которые в настоящее время используются в дальних космических миссиях, таких как «Вояджер» и «Новые горизонты».

Куда не доходит солнце

5. Визуализация генератора MMRTG

По мере развития освоения космоса мы уже неплохо справляемся с маломасштабными ядерными системами, которые питают беспилотные космические аппараты при полетах к далеким планетам.

опрос от 1 января 2019 г. New Horizons с ядерной энергией он пролетел мимо самого дальнего объекта, который когда-либо наблюдался с близкого расстояния — астероида Ультима Туле, далеко за Плутоном в области, называемой поясом Койпера. Сегодня ни один космический корабль на Земле не смог бы сделать это без ядерной энергии. Солнечная энергия мало работает за пределами орбиты Марса. Химические источники не служат долго, потому что их плотность энергии слишком мала, а их вес недопустим во время длительных миссий.

Другой тип многоцелевого питающего реактора, MMRTG, использует Лаборатория МСЛ на Марсе, то есть марсоход Curiosity (5).

Используется в дальних миссиях генераторы радиотепловые (рентгеновские) используется изотоп плутония ²³⁸Pu. Он отлично работает, выделяя постоянное тепло от естественного радиоактивного распада, испуская альфа-частицы, которые затем преобразуются в электричество. Его 88-летний период полураспада означает, что миссии могут быть длительными. Однако РИТЭГи не могут обеспечить высокую удельную мощность, необходимую для крупных миссий и более массивных кораблей, не говоря уже о внеземных базах.

Решением, например, для исследовательского присутствия и — кто знает — может быть, даже миссии по поселению на Марсе или Луне может стать строительство небольших реакторов, испытанных НАСА в течение нескольких лет (6). Эти устройства известны как Kilopower, предназначены для обеспечения от 1 до 10 кВт электроэнергии и могут быть сконфигурированы в скоординированных модулях для питания двигательных установок или для поддержки исследования человеком, добычи полезных ископаемых или создания колоний на инопланетных космических телах.

6. Один из прототипов космического реактора от НАСА

Как известно, в космосе имеет значение масса. Реактор Kilopower не должен превышать вес среднего автомобиля. Мы уже знаем из недавней демонстрации ракеты SpaceX Falcon Heavy, что запуск автомобиля в космос в настоящее время не является технической проблемой. Так легкие реакторы можно вывести на орбиту вокруг Земли и за ее пределы.

Американцы также думают о них по-другому. В августе 2019 года на шестом заседании Национального космического совета США администратор НАСА Джим Брайденстайн подтвердил вышеописанные преимущества ядерных тепловых двигателей, добавив, что большая мощность на орбите потенциально может позволить орбитальным кораблям успешно уклониться от аварии. атака противоспутниковым оружием.

Реакторы на орбите также могут питать военные мощные лазеры, что также вызывает большой интерес у властей США.

Однако прежде чем ядерный ракетный двигатель совершит свой первый полет, НАСА должно изменить свои собственные правила, касающиеся запуска ядерных материалов в космос. Если это удастся, то, по замыслу агентства, первая внеземная авантюра с участием ядерного двигателя состоится в 2024 году. Это совпадает с датой возвращения американских астронавтов на Луну.

Возможно, на этот раз они отправятся в путешествие на ядерной ракете?

Смотрите также: