Які ракети повезуть на Марс колоністів у 2030-2040-вих роках?

      Атомна енергія — найсильніша з тих, що підкорило людство. Чи можна завдяки їй рухатися швидше, ніж будь-коли?

      Інженери й вчені досі вдаються в це питання. І вони вже винайшли більш вправний варіант, ніж підрив атомних бомб. Ім’я цьому варіанту — ядерний ракетний двигун.

Ядерний ракетний двигун (ЯРД)

      Хоча атомна бомба була першим засобом використання ядерної енергії, вона не була єдиним. Вже у 1951 у Національній Лабораторії Айдахо за допомогою ядерної реакції отримали першу електроенергію, що призвело до створення атомної енергетики.

      Насправді атомні електростанції — це теплові, у яких замість горіння палива нагрів здійснює ядерна реакція.

      Хімічні ракетні двигуни також використовують горіння палива, щоб нагріти робоче тіло і змусити газ розширюватися. Тож чому б і тут не використати ядерну енергію?

      Ядерні ракетні двигуни діляться на твердофазні, рідкофазні і газофазні — в залежності від того, у якому стані (твердому, рідкому, чи газоподібному) знаходиться паливо в активній зоні реактора. 

      На фото — перше тестування ЯРД, 1 грудня 1967, Невада.

Твердофазні двигуни

      Твердофазні ядерні ракетні двигуни розроблялись у США по програмі «NERVA» і успішно пройшли випробування. У них використовуються такі ж трубки дієвої речовини, як і у звичайних ядерних реакторах. Завдяки їм нагрівається робоче тіло (тобто газ), і нагрівається так ефективно, що ядерний ракетний двигун може видати питомий імпульс (specific impulse) у 850-900 c — у 2-3 рази більший за імпульс найдовершенішого хімічного реактивного двигуна.
      До речі, «Заведено оцінювати розмір тяги як створений спаленою за одну секунду одиницею маси палива. Цю величину називають питомим імпульсом ракетного двигуна і вимірюють у секундах (кг тяги/кг згорілого палива в секунду)».

      На картинці — твердофазний двигун програми «NERVA».

Газофазні двигуни

      Газофазні двигуни — це гіпотетичний вид ядерних ракетних двигунів. Тяга у них має створюватися внаслідок викиду газоподібного або плазматичного робочого тіла з активної зони реактора. Така сильна реакція має надати двигуну астрономічно великий питомий імпульс у 5000 с і швидкість витікання у 30-50 тисяч м/c, але температура у реакторі також має виходити дуже велика. Тож газофазний ЯРД поки що залишаються на папері.

Рідкофазні двигуни

      Двигун на розчині солей ядерного палива придумав американський інженер Роберт Зубрін.

      Коли у твердофазному двигуні робоче тіло і ядерне паливо — це різні речовини, у двигуні Зубріна і те, і те — одна речовина. Водний розчин урану-235 поступає у реактор. Реакція починається, і біля виходу з реактора сягає ступеня «ядерного горіння», або повільного ядерного вибуху. Уран випарює воду, у якій був розчинений, і перетворює її на робоче тіло. Оскільки це трапляється не всередині двигуну, а майже зовні, корабель гріється менше, ніж від інших двигунів, що дозволяє зробити реакцію сильнішою. Це також дозволяє досягти питомого імпульсу у 6730 с і тяги в 12,7 МН. Ніякий інший двигун не видає такого великого імпульсу і загальної тяги — окрім дуже проблемного вибухоліту проєкту «Оріон», про який ми вже писали.

      Але є і недоліки: оскільки ядерна реакція проходить майже у соплі, воно має бути надзвичайно міцним. Рідкофазний двигун також має бути ненажерливим до палива, а його реактором буде складно керувати, і це ще не говорячи про радіоактивний вихлоп.

Ядерна електродвигунова установка

      Також існує ядерна електродвигунова установка, де ядерний реактор забезпечує енергією електричний реактивний двигун. У США роботи по цьому ведуться по програмі «Kilopower», яка дозволить перебудованим реакторам кораблів забезпечувати електроенергією колонії на Марсі чи Луні. 

Безпека?

      Насправді саме вона є поки що великою проблемою. Реактор має бути добре ізольованим, щоби не вражати космонавтів радіацією. Проте проблема є вирішуваною: її вже вирішували на атомних криголамах і підводних човнах, а у космосі задачу можна полегшити, якщо винести реактор і двигун назад.

Реальні перспективи

      У США планують вивести на орбіту першу твердофазну ядерну ракету до кінця 2026 року. Вона називається «DRACO» — «Демонстраційна ракета для гнучких циркулярних операцій». Якщо все пройде успішно, то, можливо, саме ядерні ракети повезуть на Марс колоністів у 2030-2040-вих роках. Більша швидкість дозволить їм швидше досягти червоної планети й зберегти себе від тривалої дії космічної радіації (парадоксально: ядерний реактор зберігає від опромінювання).

      Космічна техніка насправді все ще знаходиться на початку свого шляху. Невідомо, що ми винайдемо у майбутньому, проте сміливі інженерні рішення вже зараз дозволяють отримати найкращі результати.

Іван Синенко