Ядерный двигатель: готовность № 1

Ядерный двигатель будет испытан на околоземной орбите уже в 2025 году. По результатам испытаний, технология ядерного ракетного двигателя (ЯРД) будет применена как в «мирном космосе», так и в военных разработках. Агентство США по перспективным оборонным исследовательским проектам (DARPA) выбрало три крупные космические компании для первой фазы крупного проекта по испытанию ядерного двигателя на низкой околоземной орбите к 2025 году.

Разработка и первые испытания ядерного ракетного двигателя

Данная технология не нова. Первые варианты были названы ядерными тепловыми ракетными двигателями (ЯТР). Они были разработаны в середине 1950-х годов еще до образования НАСА. Фактически, концепция ядерного двигателя для космических путешествий создавалась почти одновременно с Манхэттенским проектом по созданию атомной бомбы.

Ядерный двигатель
1 Декабря 1967: испытания первого наземного экспериментального ядерного двигателя

Британские ученые также работали над теорией атомных ракетных двигателей. В 1948 году, Британией был опубликован ряд работ, с выводом о том, что ядерные ракеты будут единственным способом проводить исследования в глубоком космосе.

Американский ядерный ракетный двигатель NERVA был разработан и сертифицирован к применению, однако в 1973 году его бесшумно поставили на полку. Американская программа NTR была закрыта (по крайней мере, официально) в 1973 году. К этому моменту был разработан полностью готовый и сертифицированный двигатель, названный NERVA (ядерный двигатель для применения в ракетных установках).

ядерный двигатель NERVA
Готовый Американский ядерный двигатель NERVA «положили на полку» в 1973 году.

Советский Союз, со своей стороны, продолжил работу над ядерными двигателями. В 2010-2011 гг. в технических журналах сообщалось, что Россия фактически близка к завершению разработки рабочей конструкции ядерного двигателя и инвестируют значительные средства в проект ракеты на Марс, которая должна была быть готова в 2018 г. Однако этим планам также не суждено было свершиться.

Ядерный ракетный двигатель: принцип работы

На первый взгляд, эти двигатели выглядят слишком сложными. Однако, как и в случае с таким большим количеством технологий, основной принцип довольно прост. Ракеты всех типов работают за счет ускорения газообразного или жидкого вещества в одном направлении, заставляя двигатель двигаться в другом направлении. Это достигается с помощью сопла — для ускорения газового потока, генерируемого двигателем. Как правило, чем выше температура отработавших газов, тем больше скорость, при которой они выходят из сопла; чем больше скорость, тем больше тяга двигателя.

ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЯДЕРНОГО ДВИГАТЕЛЯ

На схеме ниже, жидкий водород прокачивается вокруг очень горячей активной зоны реактора, которая нагревает его до экстремальных температур, а затем выбрасывается из сопла со скоростью до 10 км в секунду, приводя в движение двигатель и прикрепленный к нему корпус ракеты.

Принцип работы ЯРД
Принцип работы ЯРД

Ракетно-ядерные двигатели работают, имея в своей активной зоне небольшой ядерный реактор, который при активации генерирует чрезвычайно высокую температуру. Затем жидкости или газы различных типов проходят через активную зону и нагреваются почти до той же температуры — 20 000 градусов С, выходя из сопла со скоростью до 10 000 м/с.

Реальный показатель производительности называется «Specific Impulse»: обычный ракетный химический двигатель имеет импульс около 500 сек, а ядерная версия — 6 000 сек. Проще говоря, это означает, что ядерный ракетный двигатель может толкать космический корабль со скоростью, в шесть раз превышающей скорость существующих двигателей, сокращая, например, путь на Марс до приемлемых 80 дней или менее.

Опасность технологии ядерного ракетного двигателя

Если эти двигатели настолько эффективны, почему они не используются сегодня? Ну, проблемы — это смесь технологических сложностей, стоимости и опасностей, присущих выходу из строя двигателя.

Конструкции этих систем настолько сложны, что для их правильной работы требуется огромный объем технического анализа. Современные вычислительные системы все еще испытывают сильные нагрузки и нагревания, а высокие температуры все еще являются технической проблемой с точки зрения производительности материалов. Все это приводит к высоким затратам на разработку — намного большим, чем доказанные и «серийно производимые» обычные ракетные двигатели, доступные сегодня.

Опасность поломки двигателя всегда была очень велика. Взрыв атомного ракетного двигателя, это все равно что Чернобыльский воздушный взрыв, за исключением того, что в некоторых случаях площадь, пораженная радиоактивным материалом, может быть значительно больше. Даже без взрыва поломка двигателя может привести к образованию смертоносного облака или падению радиоактивных частиц на землю с ужасными последствиями для людей и экосистем, где бы они ни приземлялись.

Казалось бы сборка ракеты с подобной установкой прямо в космосе решает большинство рисков. На фото ниже изображен ядерный ракетный двигатель, собираемый в космосе перед дальним космическим полетом.

ядерный ракетный двигатель

Это поможет снизить риск огромного выброса радиоактивных материалов на уровне земли в случае отказа системы. Однако последствия выброса такого облака высоко над Землей по-прежнему вызывают большую озабоченность, поскольку мы не до конца понимаем, как и когда оно может вернуться на поверхность планеты.

Даже без учёта загрязнения окружающей среды, двигатель будет представлять собой высокорадиоактивный кусок металла, с минимальным экранированием для членов экипажа. Кроме того, рассмотрим вопрос о стыковке с космической станцией или что-то в этом роде: как защитить близлежащие сооружения и персонал от радиации? Как избавиться от отработанного ядра двигателя, кроме как «загоняя» отходы в космос?

Существует опасность того, что постепенно накопится массивное облако радиоактивных материалов, вращающееся вокруг Земли. В конечном счете оно упадет обратно на поверхность. Хотя некоторые из элементов имели бы короткий период полураспада, большая часть материала действительно была бы очень долгоживущей. Это может создать классический сценарий Судного дня. Планету, в какой-то момент станет непригодной для обитания.

Российская разработка ядерного двигателя и авария на полигоне «Нионокса» под Северодвинском

Согласно источникам, Россия пытается реализовать ряд проектов с использованием очень маленьких ядерных двигателей для ракет и даже торпед. Полученные в результате высокие скорости и увеличенная дальность действия ракет делают их очень подвижным и опасным оружием, способным обойти все существующие системы противоракетной обороны.

Торпеда или беспилотная подводная лодка также обладали бы скоростью и выносливостью, которые представляли бы весьма серьезную угрозу для всех действующих военно-морских оборонительных систем.

Российские разработки ядерного ракетного двигателя

Однако некоторые факты указывают на весьма негативный опыт испытаний подобных систем. В марте 2018 года Путин объявил, что ракета 9М730 «Буревестник» (название НАТО «Скайфолл») является одним из шести новых стратегических оружий, разрабатываемых Россией.

9 августа, «российское агентство по атомной энергии «Росатом» подтвердило, что выброс радиации на полигон для испытаний ракеты «Нионокса» под Северодвинском был связан с аварией при испытании «изотопного источника питания жидкостного ракетного двигателя», в результате которой погибли восемь человек, в том числе пятеро ученых». (Источник: Википедия).

Рассказы об уровнях радиации разнятся, в некоторых официальных сообщениях говорится, что они оставались довольно высокими в течение нескольких часов. Уровни, опасности, связанные с ветром, еще не раскрыты в полной мере, поскольку крупный пожар и взрыв почти наверняка привели бы к тому, что большое облако такого материала было бы рассеяно в атмосфере.

Есть некоторые сообщения о том, что местных жителей попросили покинуть свои дома до проведения испытаний, но официальное агентство печати опровергло их. Тем не менее, очевидно, что взрыв заставил военных либо приостановить, либо отменить дальнейшие испытания, хотя это вполне может быть заявлением, направленным на успокоение как местных, так и международных опасений.

Россия утверждает, что ее работа над ядерными ракетными двигателями является самой передовой в мире. Однако запланированные Америкой на 2025 год испытания могут оспорить это утверждение.

США уверены в готовности ядерного ракетного двигателя к испытаниям 2025 года

Агентство по перспективным оборонным исследовательским проектам (DARPA) выбрало три крупные космические компании для первой фазы более крупного проекта по испытанию ядерного двигателя над низкой околоземной орбитой к 2025 году.

США заявили, что уверены в готовности ядерного ракетного двигателя к испытаниям до 2025 года. Три компании — General Atomics, Blue Origin и Lockheed Martin получили контракты на первую фазу программы DRACO (Демонстрационная ракета для маневренных операций). В то время как DARPA не раскрыла стоимость контракта в своем объявлении, СМИ Space News сообщили, что General Atomics получила $22 миллиона, Lockheed Martin — $2,9 миллиона и Blue Origin — $2,5 миллиона.

«Команды были отобраны в связи с их способностью разрабатывать и развертывать современные системы для реакторов, двигателей и космических аппаратов», говорится в заявлении DARPA. Агентство, в частности, подчеркнуло необходимость «быстрого маневра» для военных систем.

 ядерная тепловая ракета для полетов в космическом пространстве
Американская ядерная тепловая ракета для полетов в космическом пространстве Cislunar Operations (DRACO)

Первый этап программы включает в себя два направления, длительностью в 18 месяцев, каждое из которых проходит разными путями. Направление «А» включает в себя предварительный проект ядерного теплового энергетического реактора, а также двигательной подсистемы. На этапе «В» будет создана «концепция эксплуатационной системы космического аппарата» для решения будущих задач, включая демонстрационную систему.

Прежняя администрация НАСА также проявила интерес к потенциалу ядерных двигателей, особенно к сокращению времени, затрачиваемого при полёте на Марс, примерно до трех — четырех месяцев по сравнению с двигателями на химическом топливе. Агентство заявило, что надеется доставить астронавтов на Красную планету в 2030-х годах.

«Это абсолютно переломный момент для того, чего пытается достичь НАСА», — заявил бывший администратор НАСА Джим Брайденстин во время заседания Национального космического совета. «Это дает нам возможность по-настоящему защитить жизнь, когда мы говорим о дозе радиации, когда мы путешествуем между Землей и Марсом», — добавил он.