Олександр Лосєв
Швидкий розвиток ракетно-космічної техніки в XX столітті було обумовлено військово-стратегічними, політичними і, певною мірою, ідеологічними цілями та інтересами двох наддержав - СРСР та США, а всі державні космічні програми були продовженням їхніх військових проектів, де головним завданням була необхідність забезпечити обороноздатність та стратегічний паритет із ймовірним противником. Вартість створення техніки та витрати на експлуатацію тоді не мали принципового значення. На створення ракет-носіїв та космічних апаратів виділялися колосальні ресурси, а 108 хвилин польоту Юрія Гагаріна у 1961 році та телетрансляція Ніла Армстронга та Базза Олдріна з поверхні Місяця у 1969 році були не просто тріумфами науково-технічної думки, вони ще розглядалися як стратегічні перемоги битвах «Холодної війни».
Але після того, як Радянський Союз розпався і вибув із гонки за світове лідерство, у його геополітичних противників, насамперед у США, зникла необхідність реалізовувати престижні, але вкрай витратні космічні проекти, щоб доводити усьому світові перевагу західної економічної системи та ідеологічних концепцій.
У 90-х роках основні політичні завдання минулих років втратили актуальність, блокове протистояння змінилося глобалізацією, у світі взяв гору прагматизм, тому більшість космічних програм було згорнуто або відкладено, від масштабних проектів минулого залишилася, як спадщина, тільки МКС. До того ж, західна демократія поставила всі дорогі державні програми в залежність від електоральних циклів.
Підтримка виборців, необхідна для отримання чи збереження влади, змушує політиків, парламенти та уряди схилятися до популізму та вирішувати нагальні завдання, тому витрати на дослідження космосу скорочуються з року в рік.
Більшість фундаментальних відкриттів було зроблено ще в першій половині ХХ століття, а в наші дні наука та технології досягли певних меж, до того ж у всьому світі знизилася популярність наукових знань та погіршилася якість викладання математики, фізики та інших природничих наук. Це і стало причиною застою, зокрема й у космічній сфері, останніх двох десятиліть.
Але зараз стає очевидним, що світ наближається до кінця чергового технологічного циклу, що ґрунтується на відкриттях минулого століття. Тому будь-яка держава, яка матиме принципово нові перспективні технології в момент зміни глобального технологічного укладу, автоматично забезпечить собі світове лідерство як мінімум на наступні п'ятдесят років.
Принциповий пристрій ЯРД з воднем як робоче тіло
Це усвідомлюють і в Сполучених Штатах, де взято курс на відродження американської величі у всіх сферах діяльності, і в Китаї, який кидає виклик американській гегемонії, і в Євросоюзі, який намагається зберегти свою вагу в глобальній економіці.
Там існує промислова політика і всерйоз займаються розвитком власного науково-технічного та виробничого потенціалу, а космічна сфера може стати найкращим полігоном для відпрацювання нових технологій та для доказу чи спростування наукових гіпотез, здатних закласти основу для створення принципово іншої більш досконалої техніки майбутнього.
І цілком природно очікувати, що США буде першою країною, де відновляться проекти дослідження далекого космосу з метою створення унікальних інноваційних технологій як в галузі озброєнь, транспорту та конструкційних матеріалів, так і в біомедичній та телекомунікаційній сфері.
Щоправда, ні навіть Сполученим Штатам успіх на шляху створення революційних технологій не гарантований. Є високий ризик опинитися в глухому куті, удосконалюючи ракетні двигуни півстолітньої давності на основі хімічного палива, як це робить компанія SpaceX Ілона Маска, або, створюючи системи життєзабезпечення тривалого перельоту схожі на ті, що вже реалізовані на МКС.
Чи може Росія, чия стагнація в космічній сфері з кожним роком стає помітнішою, зробити ривок у гонці за майбутнє технологічне лідерство, щоб залишатися в клубі наддержав, а не в списку країн, що розвиваються?
Так, безумовно, Росія може, і більше, помітний крок уперед уже зроблено в ядерній енергетиці та в технологіях ядерних ракетних двигунів, незважаючи на хронічне недофінансування космічної галузі.
Майбутнє космонавтики – це використання ядерної енергії. Щоб зрозуміти, як пов'язані ядерні технології та космос, необхідно розглянути основні засади реактивного руху.
Отже, основні типи сучасних космічних двигунів створено за принципами хімічної енергетики. Це твердопаливні прискорювачі і рідинні ракетні двигуни, в їх камерах згоряння компоненти палива (паливо і окислювач) вступаючи в екзотермічну фізико-хімічну реакцію горіння, формують реактивний струмінь, що щомиті викидає з сопла двигуна тонни речовини. Кінетична енергія робочого тіла струменя перетворюється на реактивну силу, достатню для руху ракети. Питомий імпульс (ставлення створюваної тяги до маси палива, що використовується) таких хімічних двигунів залежить від компонентів палива, тиску і температури в камері згоряння, а також від молекулярної маси газоподібної суміші, що викидається через сопло двигуна.
І що вище температура речовини і тиск усередині камери згоряння, і що нижча молекулярна маса газу, то вище питомий імпульс, отже, і ефективність двигуна. Питома імпульс - це кількість руху, і його прийнято вимірювати в метрах на секунду, як і швидкість.
У хімічних двигунах найбільший питомий імпульс дають паливні суміші кисень-водень і фтор-водень (4500-4700 м/с), але найпопулярнішими (і зручними в експлуатації) стали ракетні двигуни, що працюють на гасі та кисні, наприклад двигуни «Союзів» та ракет «Falcon» Маска, а також двигуни на несиметричному диметилгідразині (НДМГ) з окислювачем у вигляді суміші тетраоксиду азоту та азотної кислоти (радянський та російський «Протон», французький «Аріан», американський «Титан»). Їхня ефективність в 1.5 рази нижча, ніж у двигунів на водневому паливі, але й імпульсу в 3000 м/с і потужності цілком достатньо, для того, щоб було економічно вигідно виводити тонни корисного навантаження на навколоземні орбіти.
Але польоти до інших планет вимагають набагато більшого розміру космічних кораблів, ніж все, що були створені людством раніше, включаючи модульну МКС. У цих кораблях необхідно забезпечувати і тривале автономне існування екіпажів, і певний запас палива та ресурс роботи маршових двигунів та двигунів для маневрів та корекції орбіт, передбачити доставку космонавтів у спеціальному посадковому модулі на поверхню іншої планети та повернення їх на основний транспортний корабель, а потім та повернення експедиції на Землю.
Накопичені інженерно-технічні знання та хімічна енергетика двигунів дозволяють повернутися на Місяць і досягти Марса, тому велика ймовірність, що в наступному десятилітті людство побуває на Червоній планеті.
Якщо спиратися тільки на наявні космічні технології, то мінімальна маса модуля для пілотованого польоту до Марса або до супутників Юпітера і Сатурна складе приблизно 90 тонн, що в 3 рази більше, ніж місячні кораблі початку 1970-х, а значить, ракети-носії для їх виведення на опорні орбіти для подальшого польоту до Марса набагато перевершуватиме Сатурн-5 (стартова маса 2965 тонн) місячного проекту «Аполлон» або радянський носій «Енергія» (стартова маса 2400 тонн). Потрібно створити на орбіті міжпланетний комплекс вагою до 500 тонн. Політ на міжпланетному кораблі з хімічними ракетними двигунами вимагатиме від 8 місяців до 1 року часу лише в один бік, тому що доведеться робити гравітаційні маневри, використовуючи для додаткового розгону корабля силу тяжіння планет та колосального запасу палива.
Але використовуючи хімічну енергію ракетних двигунів далі орбіти Марса чи Венери людство не відлетить. Потрібні інші швидкості польоту космічних кораблів та інша потужніша енергетика руху.
Сучасний проект ядерного ракетного двигуна Princeton Satellite Systems
Для освоєння далекого космосу необхідно значно підвищити тягоозброєність та ефективність ракетного двигуна, а значить збільшити його питомий імпульс та ресурс роботи. А для цього необхідно всередині камери двигуна нагріти газ або речовину робочого тіла з низькою атомною масою до температур, що у кілька разів перевершують температуру хімічного горіння традиційних паливних сумішей, і зробити це можна за допомогою ядерної реакції.
Якщо замість звичайної камери згоряння всередину ракетного двигуна помістити ядерний реактор, в активну зону якого подаватиметься речовина в рідкому або газоподібному вигляді, воно, розігріваючись під великим тиском до декількох тисяч градусів, почне викидатися через канал сопла, створюючи реактивну тягу. Питомий імпульс такого ядерного реактивного двигуна буде у кілька разів більшим, ніж у звичайного на хімічних компонентах, а отже, багаторазово збільшиться ефективність як самого двигуна, так і ракети-носія в цілому. Окислювач для горіння палива при цьому не буде потрібний, а як речовина, що створює реактивну тягу, може бути використаний легкий газ водень, ми ж знаємо, що чим менше молекулярна маса газу, тим вище імпульс, а це дозволить набагато зменшити масу ракети при кращих характеристиках потужності двигуна.
Ядерний двигун буде кращим за звичайний, оскільки в зоні реактора легкий газ може нагріватися до температур, що перевищують 9 тисяч градусів Кельвіна, і струмінь такого перегрітого газу забезпечить набагато більший питомий імпульс, ніж можуть дати звичайні хімічні двигуни. Але це теоретично.
Небезпека навіть не в тому, що при старті ракети-носія з такою ядерною установкою може статися радіоактивне забруднення атмосфери та простору навколо пускового майданчика, основна проблема, що за високих температур може розплавитися сам двигун разом із космічним кораблем. Конструктори та інженери це розуміють і вже кілька десятиліть намагаються знайти відповідні рішення.
У ядерних ракетних двигунів (ЯРД) є вже своя історія створення та експлуатації у космосі. Перші розробки ядерних двигунів почалися в середині 1950-х років, тобто ще до польоту людини в космос, і практично одночасно і в СРСР і в США, а сама ідея використовувати ядерні реактори для нагрівання робочої речовини в ракетному двигуні народилася разом з першими ректорами середині 40-х років, тобто понад 70 років тому.
У нашій країні ініціатором створення ЯРД став вчений теплофізик Віталій Михайлович Євлєв. У 1947 році він представив проект, який був підтриманий С. П. Королевим, І. В. Курчатовим і М. В. Келдишем. Спочатку планувалося використовувати такі двигуни для крилатих ракет, а потім ставити і балістичні ракети. Розробкою зайнялися провідні оборонні КБ Радянського Союзу, а також науково-дослідні інститути НДІТП, ЦІАМ, ІАЕ, ВНІІНМ.
Радянський ядерний двигун РД-0410 був зібраний у середині 60-х воронезькому «Конструкторському бюро хімавтоматики», де створювалася більшість рідинних ракетних двигунів для космічної техніки.
Як робоче тіло в РД-0410 використовувався водень, який у рідкому вигляді проходив через «сорочку охолодження», відводячи зайве тепло від стінок сопла і не даючи йому розплавитися, а потім надходив в активну зону реактора, де нагрівався до 3000К і викидався через канал сопла, перетворюючи, таким чином, теплову енергію в кінетичну і створюючи питомий імпульс 9100 м/с.
У США проект ЯРД був запущений в 1952 році, а перший двигун, що діє, був створений в 1966 році і отримав назву NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application). У 60-х - 70-х роках Радянський Союз та США намагалися не поступатися один одному.
Правда і наш РД-0410, і американський NERVA були твердофазними ЯРД (ядерне паливо на основі карбідів урану знаходилося в реакторі в твердому стані), і їхня робоча температура була в межах 2300-3100К.
Щоб збільшити температуру активної зони без ризику вибуху або розплавлення стінок реактора, необхідно створити такі умови ядерної реакції, за яких паливо (уран) переходить у газоподібний стан або перетворюється на плазму і утримується всередині реактора за рахунок сильного магнітного поля, не торкаючись при цьому стінок. А далі водень, що надходить в активну зону реактора, «обтікає» уран, що знаходиться в газовій фазі, і перетворюючись на плазму, з дуже високою швидкістю викидається через канал сопла.
Цей тип двигуна отримав назву газофазного ЯРД. Температури газоподібного уранового палива в таких ядерних двигунах можуть бути в діапазоні від 10 тисяч до 20 тисяч градусів Кельвіна, а питомий імпульс досягатиме 50000 м/с, що в 11 разів вище, ніж у найефективніших хімічних ракетних двигунів.
Створення та використання в космічній техніці газофазних ЯРД відкритого та закритого типів – це найбільш перспективний напрямок розвитку космічних ракетних двигунів і саме те, що необхідно людству для освоєння планет Сонячної системи та їх супутників.
Перші дослідження з проекту газофазного ЯРД розпочалися в СРСР у 1957 році в НДІ теплових процесів (НДЦ імені М. В. Келдиша), а саме рішення про розробку ядерних космічних енергоустановок на основі газофазних ядерних реакторів було прийнято в 1963 академіком В. П. Глушко (НВО Енергомаш), а потім затверджено постановою ЦК КПРС та Ради міністрів СРСР.
Розробка газофазного ЯРД велася у Радянському Союзі два десятиліття, але, на жаль, так і не була завершена через недостатнє фінансування та необхідність додаткових фундаментальних досліджень у галузі термодинаміки ядерного пального та водневої плазми, нейтронної фізики та магнітної гідродинаміки.
Радянські вчені-ядерники та інженери-конструктори зіткнулися з низкою проблем, таких як досягнення критичності та забезпечення стійкості роботи газофазного ядерного реактора, зниження втрат розплавленого урану при викиді водню, розігрітого до декількох тисяч градусів, теплозахист сопла та генератора магнітного поля, накопичення продуктів , вибір хімічно стійких конструкційних матеріалів та ін.
А коли для радянської програми "Марс-94" першого пілотованого польоту на Марс почала створюватися ракета-носій "Енергія", проект ядерного двигуна було відкладено на невизначений термін. Радянському Союзу забракло зовсім небагато часу, а головне політичної волі та ефективності економіки, щоб здійснити висадку наших космонавтів на планету Марс у 1994 році. Це було б безперечним досягненням та доказом нашого лідерства у високих технологіях протягом наступних кількох десятиліть. Але космос, як і багато іншого, був відданий останнім керівництвом СРСР. Історію вже не змінити, учених та інженерів, що пішли, не повернути, а втрачені знання не відновити. Дуже багато доведеться створювати заново.
Але космічна ядерна енергетика не обмежується лише сферою твердо- та газофазних ЯРД. Для створення нагрітого потоку речовини у реактивному двигуні можна використовувати електричну енергію. Цю ідею першим висловив Костянтин Едуардович Ціолковський ще 1903 року у своїй роботі «Дослідження світових просторів реактивними приладами».
А перший електротермічний ракетний двигун у СРСР був створений у 1930-х роках Валентином Петровичем Глушком – майбутнім академіком АН СРСР та керівником НВО «Енергія».
Принципи роботи електричних ракетних двигунів можуть бути різними. Зазвичай їх прийнято ділити на чотири типи:
- електротермічні (нагрівні або електродугові). Вони газ нагрівається до температур 1000–5000К і викидається з сопла так само як і в ЯРД.
- електростатичні двигуни (колоїдні та іонні), в яких спочатку відбувається іонізація робочої речовини, а потім позитивні іони (атоми, позбавлені електронів) прискорюються в електростатичному полі і викидаються через канал сопла, створюючи реактивну тягу. До електростатичних належать також і стаціонарні плазмові двигуни.
- магнітоплазмові та магнітодинамічні ракетні двигуни. Там газова плазма прискорюється за рахунок сили Ампера в перпендикулярно магнітному і електричному полях, що перетинаються.
- імпульсні ракетні двигуни, в яких використовується енергія газів, що виникають при випаровуванні робочого тіла електричному розряді.
Плюсом цих електричних ракетних двигунів є низька витрата робочого тіла, ККД до 60% та висока швидкість потоку частинок, що дозволяє значно скоротити масу космічного апарату, але є й мінус – мала щільність тяги, а відповідно низька потужність, а також дорожнеча робочого тіла (інертні) гази чи пари лужних металів) для створення плазми.
Всі перелічені типи електродвигунів реалізовані на практиці і багаторазово використовувалися в космосі і на радянських і на американських апаратах починаючи з середини 60-х років, але через свою малу потужність застосовувалися в основному як двигуни корекції орбіт.
З 1968 по 1988 роки в СРСР було запущено цілу серію супутників «Космос» з ядерними установками на борту. Типи реакторів мали назви: «Бук», «Топаз» та «Єнісей».
Реактор проекту «Єнісей» мав теплову потужність до 135 кВт та електричну потужність близько 5 кВт. Теплоносієм був натрій-калієвий розплав. Цей проект було закрито у 1996 році.
Для цього маршового ракетного електродвигуна потрібно дуже потужне джерело енергії. І найкращим джерелом енергії для таких космічних двигунів є ядерний реактор.
Ядерна енергетика – одна з високотехнологічних галузей, де наша країна зберігає лідируючі позиції. І принципово новий ракетний двигун у Росії вже створюється і цей проект близький до успішного завершення у 2018 році. Літні випробування намічено на 2020 рік.
І якщо газофазний ЯРД – це тема майбутніх десятиліть до якої належить повернутися після проведення фундаментальних досліджень, то його сьогоднішня альтернатива – це ядерна енергорухова установка мегаватного класу (ЯЕДУ), і вона вже створюється підприємствами Росатому та Роскосмосу з 2009 року.
У створенні ядерного енергодвигуна та транспортно-енергетичного модуля беруть участь НВО «Червона зірка», яке на сьогоднішній день є єдиним у світі розробником та виробником космічних ядерних енергетичних установок, а також Дослідницьким центром ім. М. В. Келдиша, НІКІЕТ ім. Н. А.Доллежаля, «НДІ НВО «Промінь», «Курчатівський інститут», ІРМ, ФЕІ, НДІАР та НВО Машинобудування.
Ядерна енергорухова установка включає високотемпературний газоохолоджувальний ядерний реактор на швидких нейтронах з системою турбомашинного перетворення теплової енергії в електричну, систему холодильників-випромінювачів для відведення надлишкового тепла в космос, приладно-агрегатний відсік, блок маршових плазмових або контейнерних .
В енергорухової установки ядерний реактор служить джерелом електроенергії для роботи електричних плазмових двигунів, при цьому газовий теплоносій реактора, що проходить через активну зону, потрапляє в турбіну електрогенератора і компресора і повертається назад в реактор по замкнутому контуру, а не викидається в простір як в ЯРД, що робить конструкцію більш надійною та безпечною, а значить придатною для пілотованої космонавтики.
Планується, що ядерна енергорухова установка застосовуватиметься для багаторазового космічного буксиру для забезпечення доставки вантажів при освоєнні Місяця або створення багатоцільових орбітальних комплексів. Плюсом буде не тільки багаторазове використання елементів транспортної системи (чого намагається добитися Ілон Маск у своїх космічних проектах SpaceX), але й можливість доставки втричі більшої маси вантажів, ніж на ракетах з хімічними реактивними двигунами порівнянної потужності за рахунок зменшення стартової маси транспортної системи . Особлива конструкція установки робить її безпечною для людей та навколишнього середовища на Землі.
У 2014 році на ВАТ «Машинобудівний завод» у м.Електросталь було зібрано перший тепловиділяючий елемент (тел) штатної конструкції для цієї ядерної електрорухової установки, а у 2016 проведено випробування імітатора кошика активної зони реактора.
Наразі (у 2017 році) ведуться роботи з виготовлення елементів конструкції встановлення та тестування вузлів та агрегатів на макетах, а також автономні випробування систем турбомашинного перетворення енергії та прототипів енергоблоків. Завершення робіт заплановано на кінець наступного 2018 року, щоправда, з 2015 року почало накопичуватися відставання від графіка.
Отже, як тільки ця установка буде створена, Росія стане першою у світі країною з ядерними космічними технологіями, які ляжуть в основу не тільки майбутніх проектів освоєння Сонячної системи, а й земної та позаземної енергетики. Космічні ядерні енергетичні установки можна використовувати для створення систем дистанційної передачі електроенергії Землю чи космічні модулі з допомогою електромагнітного випромінювання. І це теж стане передовою технологією майбутнього, де наша країна матиме лідируючі позиції.
На основі плазмових електродвигунів, що розробляються, будуть створені потужні рухові установки для далеких польотів людини в космос і в першу чергу для освоєння Марса, досягти орбіти якого можна буде всього за 1,5 місяці, а не за рік з гаком, як при використанні звичайних хімічних реактивних двигунів .
А майбутнє завжди починається з революції в енергетиці. І ніяк інакше. Енергетика первинна і саме величина енергоспоживання впливає на технічний прогрес, на обороноздатність та якість життя людей.
Експериментальний плазмовий ракетний двигун NASA
Радянський астрофізик Микола Кардашев ще 1964 року запропонував шкалу розвитку цивілізацій. Згідно з цією шкалою, рівень технологічного розвитку цивілізацій залежить від кількості енергії, яку населення планети використовує для своїх потреб. Так цивілізація типу використовує всі доступні ресурси, наявні на планеті; цивілізаціяII типу - отримує енергію своєї зірки, у системі якої перебуває; а цивілізація III типу користується доступною енергією своєї галактики. Людство поки не доросло до цивілізації типу за цією шкалою. Ми використовуємо лише 0.16% всього обсягу потенційного енергетичного запасу планети Земля. А отже, і Росії і всьому світу є куди зростати, і ці ядерні технології відкриють нашій країні дорогу не лише в космос, а й у майбутнє економічне процвітання.
І, можливо, єдиний варіант для Росії у науково-технічній сфері - це зробити зараз революційний прорив у ядерних космічних технологіях для того, щоб одним «стрибком» подолати багаторічне відставання від лідерів і опинитися одразу біля витоків нової технологічної революції в черговому циклі розвитку людської цивілізації. Такий унікальний шанс випадає тій чи іншій країні лише один раз на кілька століть.
На жаль, Росія, яка не приділяла в останні 25 років належної уваги фундаментальним наукам та якості вищої та середньої освіти, ризикує назавжди згаяти цей шанс, якщо програма виявиться згорнутою, а на зміну нинішнім ученим та інженерам не прийде нове покоління дослідників. Геополітичні та технологічні виклики, з якими зіткнеться Росія вже через 10–12 років, будуть дуже серйозними, порівнянними з загрозами середини ХХ століття. Щоб зберегти суверенітет і цілісність Росії у майбутньому вже зараз необхідно терміново розпочинати підготовку фахівців, здатних на ці виклики відповідати та створювати щось нове.
Є лише приблизно 10 років на те, щоб перетворити Росію на світовий інтелектуально-технологічний центр, і без серйозної зміни якості освіти це зробити неможливо. Для науково-технологічного прориву необхідно повернути системі освіти (і шкільної та ВУЗівської) системність поглядів на картину світу, наукову фундаментальність та світоглядну цілісність.
А щодо нинішнього застою в космічній галузі, то це не страшно. Фізичні принципи, на яких засновані сучасні космічні технології, будуть ще довго затребувані сектором звичайних супутникових послуг. Згадаймо, що людство використовувало вітрило протягом 5.5 тисяч років, а епоха пари тривала майже 200 років, і лише у ХХ столітті світ почав стрімко змінюватись, бо відбулася чергова науково-технічна революція, яка запустила хвилю інновацій та зміну технологічних укладів, що у результаті змінило і світову економіку та політику. Головне, опинитися біля витоків цих змін [email protected] ,
сайт: https://delpress.ru/information-for-subscribers.html
Підписатися на електронну версію журналу «Арсенал Вітчизни» можна за посиланням .
Вартість річної передплати -
12 000 руб.
Скептики стверджують, що створення ядерного двигуна - це не значний прогрес у галузі науки і техніки, а лише «модернізація парового котла», де замість вугілля та дров як паливо виступає уран, а як робоче тіло - водень. Чи настільки безперспективним є ЯРД (ядерний реактивний двигун)? Спробуємо розібратися.
Перші ракети
Усі досягнення людства у освоєнні навколоземного космічного простору можна сміливо віднести з цього приводу хімічних реактивних двигунів. В основі роботи таких силових агрегатів - перетворення енергії хімічної реакції спалювання палива в окислювачі на кінетичну енергію реактивного струменя, і, отже, ракети. Як паливо використовуються гас, рідкий водень, гептан (для рідкопаливних ракетних двигунів (ЖТРД)) та полімеризована суміш перхлорату амонію, алюмінію та оксиду заліза (для твердопаливних (РДТТ)).
Загальновідомо, що перші ракети, що використовуються для феєрверків, з'явилися у Китаї ще у другому столітті до н. У небо вони здіймалися завдяки енергії порохових газів. Теоретичні дослідження німецького зброяра Конрада Хааса (1556), польського генерала Казимира Семеновича (1650), російського генерал-лейтенанта Олександра Засядка зробили істотний внесок у розвиток ракетної техніки.
Патент на винахід першої ракети із ЗТРД отримав американський вчений Роберт Годдард. Його апарат при вазі 5 кг та довжині близько 3 м, що працював на бензині та рідкому кисні, у 1926 році за 2,5 с. пролетів 56 метрів.
У гонитві за швидкістю
Серйозні експериментальні роботи із створення серійних хімічних реактивних двигунів стартували у 30-х роках минулого століття. У Радянському Союзі піонерами ракетного двигунобудування по праву вважаються В. П. Глушко та Ф. А. Цандер. З їх участю були розроблені силові агрегати РД-107 і РД-108, які забезпечили СРСР першість в освоєнні космічного простору і заклали фундамент майбутнього лідерства Росії в області космонавтики, що пілотується.
При модернізації ЗТРД стало ясно, що максимальна теоретична швидкість реактивного струменя не зможе перевищити 5 км/с. Для вивчення навколоземного простору цього може бути і достатньо, але польоти до інших планет, а тим більше зірок залишаться для людства нездійсненною мрією. Як наслідок, вже в середині минулого століття почали з'являтися проекти альтернативних ракетних двигунів (нехімічних). Найбільш популярними та перспективними виглядали установки, що використовують енергію ядерних реакцій. Перші експериментальні зразки ядерних космічних двигунів (ЯРД) у Радянському Союзі та США пройшли тестові випробування ще 1970 року. Проте після Чорнобильської катастрофи під тиском громадськості роботи у цій галузі було припинено (у СРСР 1988 року, США - з 1994).
У основі функціонування ядерних силових установок лежать самі принципи, як і в термохимических. Відмінність у тому, що нагрівання робочого тіла здійснюється енергією розпаду чи синтезу ядерного пального. Енергетична ефективність таких двигунів значно перевершує хімічні. Так, наприклад, енергія, яку може виділити 1 кг найкращого палива (суміш берилію з киснем) - 3×107 Дж, тоді як для ізотопів полонію Po210 ця величина становить 5×1011 Дж.
Енергія, що вивільняється в ядерному двигуні, може використовуватися різними способами:
нагріваючи робоче тіло, що випускається через сопла, як у традиційному ЗРД, після перетворення в електричну, іонізуючи і розганяючи частинки робочого тіла, створення імпульсу безпосередньо продуктами поділу або синтезу. Як робоче тіло може виступати навіть звичайна вода, але набагато ефективніше буде застосування спирту, аміаку або рідкого водню. Залежно від агрегатного стану палива для реактора ядерні двигуни ракет поділяють на твердо-, рідко-і газофазні. Найбільш опрацьований ЯРД з твердофазним реактором поділу, який використовує як паливо ТВЕЛи (елевиділяючі елементи), що застосовуються на атомних електростанціях. Перший такий двигун у рамках американського проекту Nerva пройшов наземні тестові випробування у 1966 році, пропрацювавши близько двох годин.
Конструктивні особливості
В основі будь-якого ядерного космічного двигуна лежить реактор, що складається з активної зони та берилієвого відбивача, розміщених у силовому корпусі. В активній зоні відбувається поділ атомів паливної речовини, як правило, урану U238, збагаченого ізотопами U235. Для надання процесу розпаду ядер певних властивостей тут же розташовані і сповільнювачі - тугоплавкі вольфрам або молібден. Якщо сповільнювач включають до складу ТВЕЛів, реактор називають гомогенним, а якщо розміщують окремо - гетерогенним. До складу ядерного двигуна також входять блок подачі робочого тіла, органи управління, тіньовий радіаційний захист, сопло. Конструктивні елементи та вузли реактора, що зазнають високих термічних навантажень, охолоджуються робочим тілом, яке потім турбонасосним агрегатом нагнітається в тепловиділяючі зборки. Тут відбувається його нагрівання майже до 3000? Спливаючи через сопло, робоче тіло створює реактивну тягу.
Типовими органами управління реактором служать регулюючі стрижні та поворотні барабани, виконані з речовини, що поглинає нейтрони (бору або кадмію). Стрижні розміщують безпосередньо в активній зоні або спеціальних нішах відбивача, а поворотні барабани - на периферії реактора. Переміщенням стрижнів або поворотом барабанів змінюють кількість ядер, що діляться в одиницю часу, регулюючи рівень енерговиділення реактора, і, отже, його теплову потужність.
Для зниження інтенсивності нейтронного та гамма-випромінювання, небезпечного для всього живого, у силовому корпусі розміщують елементи первинного реакторного захисту.
Підвищення ефективності
Рідкофазний ядерний двигун принципом роботи та пристроєм аналогічний твердофазним, але рідкий стан палива дозволяє збільшити температуру перебігу реакції, а, отже, тягу силового агрегату. Так якщо для хімічних агрегатів (ЖТРД та РДТТ) максимальний питомий імпульс (швидкість закінчення реактивного струменя) - 5 420 м/с, для твердофазних ядерних і 10 000 м/с - далеко не межа, то середнє значення цього показника для газофазних ЯРД лежить у діапазоні 30 000 – 50 000 м/с.
Існують проекти газофазного ядерного двигуна двох типів:
Відкритого циклу, при якому ядерна реакція протікає всередині плазмової хмари з робочого тіла, що утримується електромагнітним полем і поглинає все тепло, що утворилося. Температура може досягати кількох десятків тисяч градусів. У цьому випадку активну область оточує термостійка речовина (наприклад, кварц) - ядерна лампа, що вільно пропускає випромінювану енергію. В установках другого типу температура протікання реакції буде обмежена температурою плавлення матеріалу колби. При цьому енергетична ефективність ядерного космічного двигуна дещо знижується (питомий імпульс до 15 000 м/с), але підвищується економічність та радіаційна безпека.
Практичні досягнення
Формально, винахідником силової установки на атомній енергії прийнято вважати американського вченого та фізика Річарда Фейнмана. Старт масштабних робіт з розробки та створення ядерних двигунів для космічних кораблів у рамках програми Rover було дано у науково-дослідному центрі Лос-Аламос (США) у 1955 році. Американські винахідники віддали перевагу установкам із гомогенним ядерним реактором. Перший експериментальний зразок «Ківі-А» був зібраний на заводі при атомному центрі в Альбукерці (Нью-Мексико, США) та випробуваний у 1959 році. Реактор розташовувався на стенді вертикально соплом нагору. У ході випробувань нагрітий струмінь відпрацьованого водню викидався безпосередньо в атмосферу. І хоча ректор пропрацював на малій потужності лише близько 5 хвилин, успіх надихнув розробників.
У Радянському Союзі потужний імпульс подібним дослідженням надала зустріч, що відбулася в 1959 році в Інституті атомної енергії, «трьох великих К» - творця атомної бомби І. В. Курчатова, головного теоретика вітчизняної космонавтики М. В. Келдиша і генерального конструктора радянських ракет С. П. Корольова. На відміну від американського зразка, радянський двигун РД-0410, розроблений у конструкторському бюро об'єднання «Хімавтоматика» (Вороніж), мав гетерогенний реактор. Вогневі випробування відбулися на полігоні поблизу м. Семипалатинська у 1978 році.
Варто зазначити, що теоретичних проектів було створено досить багато, але практичної реалізації справа так і не дійшла. Причинами цього стала наявність величезної кількості проблем у матеріалознавстві, брак людських та фінансових ресурсів.
Для замітки: важливим практичним досягненням стало проведення льотних випробувань літаків із ядерним двигуном. У СРСР найперспективнішим був експериментальний стратегічний бомбардувальник Ту-95ЛАЛ, США - В-36.
Проект "Оріон" або імпульсні ЯРД
Для польотів у космосі ядерний двигун імпульсної дії вперше запропонував використати 1945 року американський математик польського походження Станіслав Улам. У наступне десятиліття ідею розвинули та доопрацювали Т. Тейлор та Ф. Дайсон. Суть зводиться до того, що енергія невеликих ядерних зарядів, що підриваються на певній відстані від платформи, що штовхає на днище ракети, повідомляє їй велике прискорення.
У ході проекту «Оріон», що стартував у 1958 році, саме таким двигуном планувалося оснастити ракету, здатну доставити людей на поверхню Марса або орбіту Юпітера. Екіпаж, розміщений у носовому відсіку, був би захищений від руйнівних впливів гігантських прискорень демпфуючим пристроєм. Результатом детального інженерного опрацювання стали маршові випробування масштабного макета корабля вивчення стійкості польоту (замість ядерних зарядів використовувалася звичайна вибухівка). Через дорожнечу проект було закрито 1965 року.
Подібні ідеї створення «буйнольоту» висловлював і радянський академік А. Сахаров у липні 1961 року. Для виведення корабля на орбіту вчений пропонував використовувати звичайні ЗТРД.
Альтернативні проекти
Величезна кількість проектів так і не вийшли за межі теоретичних досліджень. Серед них було чимало оригінальних та дуже перспективних. Підтвердженням служить ідея силової ядерної установки на фрагментах, що діляться. Конструктивні особливості та пристрій цього двигуна дозволяють обходитися взагалі без робочого тіла. Реактивний струмінь, який забезпечує необхідні тягові характеристики, формується з відпрацьованого ядерного матеріалу. В основі реактора лежать диски, що обертаються, з підкритичною ядерною масою (коефіцієнт поділу атомів менше одиниці). При обертанні в секторі диска, що знаходиться в активній зоні, запускається ланцюгова реакція і високоенергетичні атоми, що розпадаються, направляються в сопло двигуна, утворюючи реактивний струмінь. Цілі атоми, що збереглися, візьмуть участь в реакції при наступних оборотах паливного диска.
Цілком працездатні проекти ядерного двигуна для кораблів, що виконують певні завдання в навколоземному просторі, на базі РІТЕГів (радіоізотопних термоелектричних генераторів), але для здійснення міжпланетних, а тим більше міжзоряних перельотів такі установки малоперспективні.
Величезний потенціал у двигунів, які працюють на ядерному синтезі. Вже на сьогоднішньому етапі розвитку науки і техніки цілком реалізується імпульсна установка, в якій, подібно до проекту «Оріон», під днищем ракети підриватимуться термоядерні заряди. Втім, і здійснення керованого ядерного синтезу багато фахівців вважають справою недалекого майбутнього.
Переваги та недоліки ЯРД
До безперечних переваг використання ядерних двигунів як силові агрегати для космічних літальних апаратів слід віднести їхню високу енергетичну ефективність, що забезпечує високий питомий імпульс і хороші тягові показники (до тисячі тонн у безповітряному просторі), значний енергозапас при автономній роботі. Сучасний рівень науково-технічного розвитку дозволяє забезпечити порівняльну компактність такої установки.
Основний недолік ЯРД, що спричинив згортання проектно-дослідницьких робіт - висока радіаційна небезпека. Це особливо актуально при проведенні наземних вогневих тестів в результаті яких можливе попадання в атмосферу разом з робочим тілом і радіоактивних газів, сполук урану та його ізотопів, та руйнівний вплив проникаючої радіації. З цих причин неприйнятний старт космічного корабля, обладнаного ядерним двигуном, безпосередньо з Землі.
Сьогодення та майбутнє
За словами академіка РАН, генерального директора «Центру Келдиша» Анатолія Коротєєва, принципово новий тип ядерного двигуна в Росії буде створено вже найближчим часом. Суть підходу полягає в тому, що енергія космічного реактора буде спрямована не на безпосереднє нагрівання робочого тіла та формування реактивного струменя, а для виробництва електрики. Роль рушія в установці відводиться плазмовому двигуну, питома тяга якого в 20 разів перевищує тягу існуючих на сьогоднішній день хімічних реактивних апаратів. Головним підприємством проекту виступає підрозділ держкорпорації "Росатом" АТ "НІКІЕТ" (Москва).
Повномасштабні макетні тести успішно пройшли ще в 2015 році на базі НВО «Машинобудування» (Реутов). Датою початку льотно-конструкторських випробувань ядерної енергоустановки названо листопад цього року. Найважливіші елементи та системи мають пройти перевірку, у тому числі і на борту МКС.
Функціонування нового російського ядерного двигуна відбувається по замкнутому циклу, що виключає потрапляння радіоактивних речовин у навколишній простір. Масові та габаритні характеристики основних елементів енергетичної установки забезпечують її використання з існуючими вітчизняними ракетоносіями «Протон» та «Ангара».
Росія була і зараз залишається лідером у галузі ядерної космічної енергетики. Досвід проектування, будівництва, запуску та експлуатації космічних апаратів, оснащених ядерним джерелом електроенергії, мають такі організації, як РКК «Енергія» та «Роскосмос». Ядерний двигун дозволяє експлуатувати літальні апарати багато років, багаторазово підвищуючи їхню практичну придатність.
Історичний літопис
У той же час, доставка дослідницького апарату на орбіти далеких планет Сонячної системи вимагає збільшення ресурсу такої ядерної установки до 5-7 років. Доведено, що комплекс з ЯЕРДУ потужністю близько 1 МВт у складі дослідницького КА дозволить забезпечити прискорену доставку за 5-7 років на орбіти штучних супутників найбільш віддалених планет, планетоходів на поверхню природних супутників цих планет та доставку на Землю ґрунту з комет, астероїдів, Меркурія та супутників Юпітера та Сатурна.
Багаторазовий буксир (МБ)
Одним із найважливіших способів підвищення ефективності транспортних операцій у космосі є багаторазове використання елементів транспортної системи. Ядерний двигун для космічних кораблів потужністю не менше 500 кВт дозволяє створити багаторазовий буксир і тим самим значно підвищити ефективність багатоланкової космічної транспортної системи. Особливо корисна така система у програмі забезпечення великих річних вантажопотоків. Прикладом може стати програма освоєння Місяця зі створенням і обслуговуванням бази, що постійно нарощується, і експериментальних технологічних і виробничих комплексів.
Розрахунок вантажообігу
Згідно з проектними опрацюваннями РКК «Енергія», при будівництві бази на поверхню Місяця повинні доставлятися модулі масою близько 10 т, на орбіту Місяця - до 30 т. , а річний вантажопотік для забезпечення функціонування та розвитку бази - 400-500 т.
Однак принцип роботи ядерного двигуна не дозволяє розігнати транспортника досить швидко. Через тривалий час транспортування і, відповідно, значний час знаходження корисного вантажу в радіаційних поясах Землі не всі вантажі можуть бути доставлені з використанням буксирів з ядерним двигуном. Тому вантажопотік, який може бути забезпечений на основі ЯЕРДУ, оцінюється лише у 100-300 т/рік.
Економічна ефективність
Як критерій економічної ефективності міжорбітальної транспортної системи доцільно використовувати значення питомої вартості транспортування одиниці маси корисного вантажу (ПГ) із Землі на цільову орбіту. РКК «Енергія» була розроблена економіко-математична модель, яка враховує основні складові витрат у транспортній системі:
- створення та виведення на орбіту модулів буксира;
- на закупівлю робочої ядерної установки;
- експлуатаційні витрати, і навіть витрати на проведення НДДКР та можливі капітальні витрати.
Вартісні показники залежать від оптимальних параметрів МБ. З використанням цієї моделі було досліджено порівняльну економічну ефективність застосування багаторазового буксиру на основі ЯЕРДУ потужністю близько 1 МВт та одноразового буксира на основі перспективних рідинних у програмі забезпечення доставки із Землі на орбіту Місяця заввишки 100 км корисного вантажу сумарною масою 100 т/рік. При використанні однієї і тієї ж ракети-носія вантажопідйомністю, що дорівнює вантажопідйомності РН «Протон-М», та двопускової схеми побудови транспортної системи питома вартість доставки одиниці маси корисного вантажу за допомогою буксира на основі ядерного двигуна буде втричі нижчою, ніж при використанні одноразових буксирів на основі ракет із рідинними двигунами типу ДМ-3.
Висновок
Ефективний ядерний двигун для космосу сприяє вирішенню екологічних проблем Землі, польоту людини до Марса, створенню системи бездротової передачі енергії в космосі, реалізації з підвищеною безпекою поховання в космосі особливо небезпечних радіоактивних відходів наземної атомної енергетики, створенню місячної бази, що мешкає, захисту Землі від астероїдно-кометної небезпеки
У одному з розділів"Живого Журналу" інженер - електронник постійно пише про ядерні та термоядерні машини - реактори, установки, дослідницькі лабораторії, прискорювачі, а також про . Нова російська ракета, свідчення під час щорічного послання Президента, викликала найжвавіший інтерес блогера. І ось що він знайшов на цю тему.
Так, історично розробки крилатих ракет із прямоточним ядерним повітряним двигуном були: це ракета SLAM у США з реактором TORY-II, концепт Avro Z-59 у Великій Британії, опрацювання в СРСР.
Сучасний рендер концепту ракети Avro Z-59 масою близько 20 тонн.
Однак усі ці роботи йшли у 60-х як НДДКР різного ступеня глибини (далі зайшли США, про що нижче) і продовження у вигляді зразків на озброєнні не отримали. Не отримали з тієї ж причини, що багато інших опрацювань Atom Age - літаки, потяги, ракети з ЯЕУ. Всі ці варіанти транспортних засобів при деяких плюсах, які дає шалена щільність енергії в ядерному паливі, мають дуже серйозні мінуси - дорожнеча, складність експлуатації, вимоги постійної охорони, нарешті незадовільні результати розробок, про які зазвичай мало відомо (публікуючи результати НДДКР всім сторонам вигідніше виставляти досягнення та приховувати невдачі).
Зокрема, для крилатих ракет набагато простіше створити носій (підводний човен або літак), який "підтягне" безліч КР до місця пуску, ніж морочитися з невеликим парком (а великий парк освоїти неймовірно складно) крилатих ракет, що запускаються зі своєї території. Універсальний, дешевий, масовий засіб переміг у результаті малосерійний, дорогий і з неоднозначними плюсами. Атомні крилаті ракети не пішли далі за наземні випробування.
Цей концептуальний глухий кут 60-х років КР з ЯЕУ, на мій погляд, актуальний і зараз, тому основне питання до показаного "навіщо??". Але ще опуклішим його роблять проблеми, які виникають при розробці, випробуваннях та експлуатації подібної зброї, про що говоримо далі.
Отже, почнемо з реактора. Концепти SLAM і Z-59 були тримаховими ракетами, що низько летять, значних габаритів і маси (20+ тонн після скидання стартових прискорювачів). Страшно витратний надзвук, що низько летить, дозволяв по максимуму використовувати наявність практично не обмеженого джерела енергії на борту, крім того, важливою рисою ядерного повітряного реактивного двигуна єпокращення ккд роботи (термодинамічного циклу) у разі зростання швидкості, тобто. та ж ідея, але на швидкостях у 1000 км/год мала б набагато важчий і габаритніший двигун. Нарешті, 3М на висоті в сотню метрів в 1965 році означало невразливість для ППО. погляд, навколозвукова або слабоназвукова (якщо, звичайно, вірити, що на відео саме вона). Але при цьому габарит реактора зменшився значно в порівнянні з TORY-II від ракети SLAM, де він становив аж 2 метри, включаючи радіальний відбивач нейтронів з графіту.
Чи можна взагалі укласти реактор діаметром 0,4-0,6 метра?
Почнемо з принципово мінімального реактора – болванки з Pu239. Хорошим прикладом реалізації такої концепції є космічний реактор Kilopower, де, щоправда, використовується U235. Діаметр активної зони реактора лише 11 сантиметрів! Якщо перейти на плутоній 239, розміри АЗ впадуть ще в 1,5-2 рази. Тепер від мінімального розміру ми почнемо крокувати до реального ядерного повітряного реактивного двигуна, згадуючи про складності.
Найпершим до розміру реактора додається розмір відбивача - зокрема Kilopower BeO потроює розміри. По-друге, ми не можемо використовувати болванку U або Pu - вони елементарно згорять у потоці повітря буквально через хвилину. Потрібна оболонка, наприклад, з інкалою, який протистоїть миттєвому окисленню до 1000 С, або інших нікелевих сплавів з можливим покриттям керамікою. Внесення великої кількості матеріалу оболонок до АЗ одразу в кілька разів збільшує необхідну кількість ядерного палива – адже "непродуктивне" поглинання нейтронів в АЗ тепер різко зросло!
Більше того, металева форма U або Pu тепер не годиться – ці матеріали й самі не тугоплавкі (плутоній взагалі плавиться при 634 С), так ще й взаємодіють із матеріалом металевих оболонок. Перекладаємо паливо в класичну форму UO2 або PuO2 – отримуємо ще одне розведення матеріалу в АЗ, тепер уже киснем.
Зрештою, згадуємо призначення реактора. Нам потрібно прокачувати через нього багато повітря, якому ми віддаватимемо тепло. Приблизно 2/3 простору займуть "повітряні трубки".
У результаті мінімальний діаметр АЗ виростає до 40-50 см (для урану), а діаметр реактора з 10-сантиметровим берилієвим відбивачем до 60-70 см. MITEE для польотів в атмосфері Юпітера. Цей абсолютно паперовий проект (наприклад температура АЗ передбачається в 3000 К, а стінки з берилію, що витримує від сили 1200 К) має розрахунковий по нейтроніку діаметр АЗ в 55.4 см, при тому, що охолодження воднем дозволяє зменшити розміри каналів, якими прокачується теплоносій .
На мій погляд, повітряний ядерний реактивний двигун можна впхнути в ракету діаметром близько метра, що, втім, все ж таки не кардинально більше озвучених 0,6-0,74 м, але все ж насторожує. Так чи інакше, ЯЕУ матиме потужність ~ кілька мегават, що живляться ~10^16 розпадів в секунду. Це означає, що сам реактор створюватиме радіаційне поле в кілька десятків тисяч рентген біля поверхні, і до тисячі рентген уздовж усієї ракети. Навіть установка кількох сотень кг секторного захисту не сильно знизить ці рівні, т.к. нейтрони і гамма-кванти відбиватимуться від повітря і "обходитимуть захист".
За кілька годин такий реактор напрацює ~10^21-10^22 атомів продуктів поділу з активністю в кілька (кілька десятків) петабеккерелів, які і після зупинки створять фон у кілька тисяч рентген біля реактора.
Конструкція ракети буде активована приблизно до 10^14 Бк, хоча ізотопи будуть в основному бета-випромінювачами і небезпечні тільки гальмівним рентгеном. Фон від самої конструкції може досягати десятки рентгенів на відстані 10 метрів від корпусу ракети.
Всі ці "веселості" дають уявлення, що і розробка та випробування подібної ракети - завдання на межі можливого. Необхідно створити цілий набір радіаційно-стійкого навігаційного та керуючого обладнання, випробувати все це досить комплексним чином (радіація, температура, вібрації - і все це на статистику). Літні випробування з працюючим реактором у будь-який момент можуть перетворитися на радіаційну катастрофу з викидом від сотень терабекерелів до одиниць петабекерелів. Навіть без катастрофічних ситуацій можлива розгерметизація окремих твелів і викид радіонуклідів.
Звичайно, у Росії досі єНовоземельський полігон на якому можна проводити такі випробування, проте це суперечитиме духу договору прозабороні випробувань ядерної зброї у трьох середовищах (Заборона вводилася з метою недопущення планомірного забруднення атмосфери та океану радінуклідами).
Зрештою, цікаво, хто в РФ міг би займатися розробкою такого реактора. Традиційно спочатку високотемпературними реакторами займався Курчатовський інститут (загальне проектування та розрахунки), Обнінський ФЕІ (експериментальне відпрацювання та паливо), НДІ "Промінь" у Подільську (паливо та технології матеріалів). Пізніше до проектування подібних машин підключився колектив НІКІЕТ (наприклад, реактори ІГР та ІВГ - прообрази активної зони ядерного ракетного двигуна РД-0410).
Сьогодні НІКІЕТ має колектив конструкторів, які виконують роботи з проектування реакторів (високотемпературний газоохолоджуваний РУГК , швидкі реакториМБІР, ), а ФЕІ та "Промінь" продовжують займатися супутніми розрахунками та технологіями відповідно. Курчатовський інститут у останні десятиліття більше перейшов до теорії ядерних реакторів.
Резюмуючи, хочеться сказати, що створення крилатої ракети з повітряним реактивним двигунам з ЯЕУ є в цілому здійсненним завданням, але водночас вкрай дорогим і складним, що вимагає значної мобілізації людських і фінансових ресурсів, як мені здається більшою мірою, ніж решта озвучених проектів (" Сармат", "Кинжал", "Статус-6", "Авангард"). Дуже дивно, що ця мобілізація не залишила жодного сліду. А головне, зовсім не зрозуміло, в чому користь від отримання подібних зразків озброєнь (на тлі наявних носіїв), і як вони можуть переважити численні мінуси – питання радіційної безпеки, дорожнечі, несумісності із договорами про скорочення стратегічних озброєнь.
P.S. Втім "джерела" вже починають пом'якшувати ситуацію: "Джерело, близьке до ВПК, розповів "Відомостям », що радіаційна безпека під час випробувань ракети була забезпечена. Ядерну установку на борту представляв електричний макет.
Можна було б розпочати цю статтю традиційним пасажем про те, як письменники-фантасти висувають сміливі ідеї, а вчені потім втілюють їх у життя. Можна, але писати штампами не хочеться. Краще згадати, що сучасні ракетні двигуни, твердопаливні та рідинні, мають більш ніж незадовільні характеристики для польотів відносно далекі дистанції. Вивести вантаж на орбіту Землі вони дозволяють, доставити щось на Місяць – теж, хоч і коштує такий політ дорожче. А ось полетіти на Марс із такими двигунами вже нелегко. Їм подавай пальне та окислювач у потрібних обсягах. І ці обсяги прямо пропорційні відстані, яку треба подолати.
Альтернатива традиційним хімічним ракетним двигунам – двигуни електричні, плазмові та ядерні. Зі всіх альтернативних двигунів до стадії розробки двигуна дійшла тільки одна система - ядерна (ЯРД). У Радянському Союзі та США ще у 50-х роках минулого століття було розпочато роботи зі створення ядерних ракетних двигунів. Американці опрацьовували обидва варіанти такої силової установки: реактивний та імпульсний. Перша концепція має на увазі нагрівання робочого тіла за допомогою ядерного реактора з подальшим викидом через сопла. Імульсний ЯРД у свою чергу рухає космічний апарат за рахунок послідовних вибухів невеликої кількості ядерного палива.
Також у США було придумано проект «Оріон», який поєднував у собі обидва варіанти ЯРД. Зроблено це було так: з хвостової частини корабля викидалися невеликі ядерні заряди потужністю близько 100 тонн у тротиловому еквіваленті. Після ними відстрілювалися металеві диски. На відстані від корабля проводився підрив заряду, диск випаровувався, і речовина розліталася в різні боки. Частина його потрапляла до посиленої хвостової частини корабля і рухала його вперед. Невеликий додаток до тяги мало давати випаровування плити, що приймає на себе удари. Питома вартість такого польоту мала бути лише 150 тодішніх доларів на кілограм корисного навантаження.
Дійшло навіть до випробувань: досвід показав, що рух за допомогою послідовних імпульсів можливий, як і створення кормової плити достатньої міцності. Але проект «Оріон» було закрито 1965 року як неперспективний. Проте це поки що єдина існуюча концепція, яка може дозволити здійснювати експедиції хоча б за Сонячною системою.
До будівництва досвідченого екземпляра вдалося дійти лише реактивним ЯРД. Це були радянський РД-0410 та американський NERVA. Вони працювали за однаковим принципом: у «звичайному» ядерному реакторі нагрівається робоче тіло, яке при викиданні з сопел створює тягу. Робочим тілом обох двигунів був рідкий водень, але радянським як допоміжний речовини використовувався гептан.
Тяга РД-0410 складала 3,5 тонни, NERVA давав майже 34, проте мав і великі габарити: 43,7 метрів довжини та 10,5 в діаметрі проти 3,5 та 1,6 метра відповідно у радянського двигуна. При цьому американський двигун утричі програвав радянському ресурсу – РД-0410 міг працювати цілу годину.
Однак обидва двигуни, незважаючи на перспективність, також залишилися на Землі і нікуди не літали. Головна причина закриття обох проектів (NERVA у середині 70-х, РД-0410 у 1985 році) – гроші. Характеристики хімічних двигунів гірші, ніж у ядерних, але ціна одного запуску корабля з ЯРД при однаковому корисному навантаженні може бути в 8-12 разів більшою за пуск того ж «Союзу» з ЖРД. І це ще не враховуючи всі витрати, необхідні для доведення ядерних двигунів до придатності до практичного застосування.
Виведення з експлуатації «дешевих» Шаттлов та відсутність останнім часом революційних проривів у космічній техніці потребує нових рішень. У квітні цього року тодішній глава Роскосмосу А. Пермінов заявив про намір розробити та ввести в експлуатацію новий ЯРД. Саме це, на думку Роскосмосу, має кардинально покращити «обстановку» у всій світовій космонавтиці. Тепер з'ясувалося, хто має стати черговими революціонерами космонавтики: розробкою ЯРД займеться ФГУП «Центр Келдиша». Генеральний директор підприємства А. Коротєєв уже потішив громадськість про те, що ескізний проект космічного корабля під новий ЯРД буде готовий уже наступного року. Проект двигуна має бути готовий до 2019 року, а випробування заплановані на 2025 рік.
Комплекс отримав назву ТЕМ – транспортно-енергетичний модуль. Він нестиме ядерний реактор із газовим охолодженням. З безпосереднім рушієм поки що не визначилися: або це буде реактивний двигун на кшталт РД-0410, або електричний ракетний двигун (ЕРД). Однак останній тип поки що ніде у світі масово не застосовувався: ними оснащувалися лише три космічні апарати. Але на користь ЕРД говорить той факт, що від реактора можна запитувати не тільки двигун, а й безліч інших агрегатів або взагалі використати весь ТЕМ як космічну електростанцію.
