Именно экспедиция на Марс рассматривалась как первая цель покорения Вселенной

Еще с полвека назад стало ясно, что с помощью химических ракетных двигателей, увы, «далеко не улетишь». Максимум на что они оказались способны – доставить человека на Луну и вернуть его обратно. Даже экспедиция на Марс, о которой так мечтали пионеры практической космонавтики, оказалась для «химиков» малоперспективным мероприятием.

Единственно возможным способом организации «нормальных» (а не демонстрационных) межпланетных путешествий является использование на космических кораблях ядерных ракетных двигателей. Только с их помощью, существенно сократив время на перелет между планетами, мы сможем отправить человека в те миры, которыми пока грезят лишь фантасты. И вернуть его обратно.

В последнее время работы по созданию ядерных ракетных двигателей активизировались и, если верить специалистам, уже в 2017 году начнутся летные испытания российского межорбитального буксира, оснащенного таким двигателем, с помощью которого человечество наконец-то сможет сделать следующий шаг к новым мирам.

ЧТО ТАКОЕ ЯРД

Прежде чем рассказать о тех работах, которые уже более полувека ведутся в ряде стран мира, а также о перспективах «ядерной космонавтики», несколько слов о том, что же представляет собой ядерный ракетный двигатель, вокруг которого в последнее время ведется так много разговоров. Для тех читателей, кто впервые соприкоснулся с данной темой, это будет своеобразный ликбез. Для остальных, кто знаком с проблемой, просто напоминание истин, которые им известны. Думаю, что это напоминание вряд ли будет лишним.

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) – это разновидность ракетного двигателя, использующего при создании реактивной тяги энергию деления или синтеза ядер. Такие двигатели позволяют достичь значительно более высокого (по сравнению с химическими ракетными двигателями) значения удельного импульса благодаря большой скорости истечения рабочего тела.

ЯРД бывают реактивными, в которых нагрев рабочего тела (как правило, водорода) происходит в ядерном реакторе, а его вывод – через сопло, и импульсными, в которых через равные промежутки времени производятся ядерные взрывы малой мощности.

Реактивные ЯРД состоят из ядерного реактора, системы подачи рабочего тела и сопла. Рабочее тело, попадая в реактор, нагревается там до высоких температур, а затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу. В зависимости от агрегатного состояния ядерного топлива – а оно может быть твердым, расплавленным или в виде высокотемпературного газа (или плазмы) – ядерный двигатель может быть твердофазным, жидкофазным или газофазным. Но суть везде одна – нагреть рабочее тело и «выбросить» его через сопло. А как это происходит – уже детали, важные для специалистов, но не для тех, кто наблюдает за работами «со стороны».

Импульсные ЯРД предполагают осуществление серии ядерных взрывов небольшой, около килотонны или даже меньше, мощности. Возникающая при этом ударная волна – расширяющееся плазменное облако – должна приниматься мощным металлическим диском с теплозащитным покрытием («толкателем») и, отразившись от него, создавать реактивную тягу. Импульс, принятый «толкателем», через элементы конструкции будет передаваться кораблю. Предполагается, что на участке подъема ракеты частота взрывов будет составлять один взрыв в секунду, затем, когда высота и скорость вырастут, частота уменьшится. Все эти числа – величины расчетные. Как это будет в реальности, если будет вообще когда-нибудь, никто точно сказать не может.

ПЕРВЫЙ И ЕДИНСТВЕННЫЙ

Разработки ядерных ракетных двигателей начались в нашей стране и в США еще в конце 1950-х годов. Тогда практическая космонавтика только делала свои первые шаги. Но конструкторы уже работали над проектами космических кораблей, которые должны были доставить людей не только на Луну и на Марс.

По большому счету, именно экспедиция на Красную планету рассматривалась первопроходцами как первая цель покорения Вселенной. Луна должна была стать лишь «пробным шаром». А искусственные спутники Земли вообще должны были играть вспомогательную роль. В реальности же все вышло наоборот. И на Марс мы по-прежнему еще только собираемся лететь.

Я буду в этой статье рассказывать только о «космическом» применении ЯРД. Хотя в 1950-е годы их планировали использовать и на боевых ракетах. Если точнее, то сначала на боевых, и лишь потом на космических носителях. Недаром первое постановление правительства СССР по этому поводу, принятое в 1953 году, предусматривало создание «крылатых ракет с прямоточным двигателем с использованием атомной энергии».

В 1955 году в НИИ-1 была создана группа по разработке концепции ЯРД во главе с В.М. Иевлевым. В состав этой группы вошел, в частности, и А.С. Коротеев, который ныне возглавляет в России работы по созданию ядерного двигателя. Аналогичные работы велись и в ряде других конструкторских организаций, занимавшихся созданием ракетной и авиационной техники.

В 1956 году вышло новое постановление правительства по «созданию баллистической ракеты дальнего действия с атомным двигателем». Главным конструктором ракеты был назначен С.П. Королев, главным конструктором двигателя – В.П. Глушко, научным руководителем работ по созданию реактора – А.И. Лейпунский. В 1958 году на Семипалатинском ядерном полигоне началось строительство стенда с реактором и горячей лабораторией.

Как видим, работы по созданию ЯРД в конце 1950-х годов разворачивались достаточно масштабные. Однако вскоре стало ясно, что создание ядерного двигателя сопряжено с такими огромными трудностями, что быстро решить эту задачу не удастся. И если в самом начале работ предполагалось, что первые советские ЯРД появятся уже в начале 1960-х годов, то в 1961 году стали осторожно говорить о конце того десятилетия, в лучшем случае, или о середине 1970-х годов.

Изменилась и концепция применения ЯРД. От «повального» увлечения ядерной энергией не осталось и следа. Да и «химики», которых чуть было «не списали в архив», доказали свою эффективность за счет применения в ракетных двигателях новых видов топлива.

Тем не менее, работы по созданию ЯРД в нашей стране были продолжены и к концу 1970-х годов в Воронежском Конструкторском бюро химической автоматики (КБХА) с широким привлечением смежников был создан и активно проходил испытания на стендовой базе на Семипалатинском полигоне ядерный ракетный двигатель РД-0410 (11Б91). Основой этого двигателя с тягой 3,6 тонны стал ядерный реактор ИР-100 с топливными элементами из твердого раствора карбида урана и карбида циркония. Температура водорода достигала 3 тысяч градусов, мощность реактора – около 170 мегаватт. Результаты экспериментов, проведенных с реактором в 1978-1981 годах, подтвердили правильность конструктивных решений.

ЯРД был создан. Оставалось только «найти ему применение». Но на это денег уже не дали. В руководстве СССР посчитали, что организовать экспедицию на Марс (а только для нее ядерный двигатель и годился) нам не под силу, а тратить деньги на продолжение работы по «неперспективному направлению» нужды нет. Решили вернуться к этому вопросу в «лучшие времена».

Хотя дальнейшее развитие ядерных ракетных двигателей в нашей стране и было остановлено почти на два десятилетия, полученные достижения уникальны для всего мира. Это неоднократно подтверждено в последние годы на международных симпозиумах по космической энергетике, а также на встречах отечественных и американских специалистов. И такая оценка говорит о многом, так как в 1950-1960-е годы американцы также активно работали над созданием ЯРД.

«НЕРВА»

Американский проект по созданию ядерного ракетного двигателя являлся совместной программой, которую в 1960-е годы реализовывали Комиссия по атомной энергии США и Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). Этот проект известен под аббревиатурой НЕРВА (NERVA, Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application – применение ядерной энергии в ракетах-носителях). В отличие от проекта «Орион», где предполагалось использование импульсного ядерного двигателя, в этом проекте должны были создать реактивный ядерный двигатель.

Работы по НЕРВА велись параллельно с «Орионом» и уже на первом этапе принесли неплохие результаты. Прогресс атомщиков был столь стремителен, что НАСА включило ядерные двигатели в свои ближайшие планы – первый полет ракеты со ступенью, оснащенной ядерным двигателем, был запланирован на 1964 год. Правда организационная неразбериха в рядах атомного и космического ведомств США не позволила это сделать. Но факт остается фактом – первый полет на ядерном ракетном двигателе мог бы состояться уже пятьдесят лет назад.

Самым важным достижением проекта НЕРВА стали испытания, которые были проведены на атомном полигоне в Неваде. Американцам удалось досконально проверить работу в различных режимах всех экспериментальных двигателей (а их было, как минимум, три), которые показали их эффективность и, самое главное, применимость на ракетах. Наиболее «совершенный» из созданных ЯРД считался пригодным для полета на Марс.

Планы НАСА, включающие НЕРВА, состояли в визите на Марс к 1978-му году и постоянную лунную базу к 1981 году. Ракеты с ЯРД предполагалось использовать как «буксиры» для снабжения нескольких космических станций на орбитах вокруг Земли и Луны и постоянной лунной базы.

Но это были первоначальные планы. Вместе с сокращением программы космических исследований в США уменьшались и размеры ракеты с ЯРД. Сначала «забыли» о лунных планах, потом об орбитальных станциях, а потом отложили до лучших времен и марсианский проект. Как и многое другое, НЕРВА ушла в историю. Окончательно проект был закрыт в 1972 году.

«ВЗРЫВОЛЕТ САХАРОВА»

И ЯРД РД-0410, и наработки по проекту НЕРВА – это реактивные ЯРД. Но, как уже упоминалось, ядерные двигатели могут быть и импульсными. Если сравнивать реактивные и импульсные, то вторые могут быть гораздо эффективнее первых. Правда, и гораздо опаснее, так как при этом происходят ядерные взрывы.

Но, тем не менее, проекты таких двигателей существовали и достаточно серьезно прорабатывались вопросы их использования для освоения космического пространства. Одним из первых таких проектов был «взрыволет Сахарова». Его предложил «отец советской водородной бомбы» на рубеже 1950-1960-х годов.

Андрей Дмитриевич и его коллеги собирались использовать ядерные взрывы небольшой мощности для вывода в космос полезной нагрузки значительной массы (более 1000 тонн). Это позволяло экипажу корабля длительное время находиться в космосе (все расчеты проводились с прицелом на полет к Марсу).

Конструктивно будущий атомолет должен был состоять из отсека управления, отсека экипажа, отсека для размещения ядерных зарядов, основной двигательной установки и жидкостных ракетных двигателей. Корабль также должен был иметь систему подачи ядерных зарядов и систему демпфирования для выравнивания ракеты после ядерных взрывов. Ну и, конечно, баки достаточной емкости для запасов топлива и окислителя – наряду с атомными двигателями на аппарате предполагалось установить и химические ракетные двигатели. В нижней части корабля должен был крепиться экран диаметром 15-25 метров, в фокусе которого должны были «греметь» ядерные взрывы.

Старт с Земли должен был происходить на жидкостных ракетных двигателях, размещенных на нижних опорах. Топливо и окислитель предполагалось подавать из внешних навесных топливных баков, которые после опорожнения можно было отделить. На жидкостных двигателях аппарат поднимался на высоту нескольких километров (или десятков километров), после чего включалась основная двигательная установка корабля, в которой использовалась энергия последовательных взрывов ядерных зарядов небольшой мощности. По предложению Сахарова при проработке конструкции рассматривался вопрос о размещении в жилом отсеке корабля плантаций с хлореллой в расчете на питание 10-20 человек.

В процессе работы над «взрыволетом» были рассмотрены и просчитаны несколько вариантов конструкции различных габаритов. Соответственно, менялись и стартовая масса, и масса полезной нагрузки, которую удавалось выводить на орбиту. Но, надо отметить, что. несмотря на значительные массы конструкции, она не отличалась большими размерами. Например, комплекс ПК-3000 со стартовой массой 3 тысячи тонн имел высоту около 60 метров, а комплекс ПК-5000 со стартовой массой 5 тысяч тонн – менее 75 метров. Полезная нагрузка, выводимая на орбиту, в этих вариантах составляла 800 и 1300 тонн соответственно.

Простой расчет показывает, что соотношение массы полезной нагрузки к стартовой массе превышало 25 процентов. А теперь сравните эту с цифру с современными ракетами, при запуске которых в космос удается выводить не больше 7-8 процентов стартовой массы.

В качестве стартовой площадки для «взрыволета» предполагалось выбрать один из районов на севере Советского Союза. Конструкторы не без основания полагали, что для старта нового космического корабля придется строить специальный космодром. Такое место запуска выбиралось из двух соображений. Во-первых, северные широты позволяли проложить трассу полета ракеты над труднодоступными малонаселенными районами. В случае аварии это позволяло избежать «лишних» жертв.

Во-вторых, «запуск» ядерного двигателя вдали от плоскости экватора вне зоны так называемой «геомагнитной ловушки» позволяло избежать появления искусственных радиационных поясов, с чем уже приходилось сталкиваться во время ядерных взрывов в космосе.

Конечно, «взрыволет» имел не только плюсы, но и минусы. Одним из них являлось загрязнение окружающей среды, которое должно было произойти при осуществлении ядерных взрывов в земной атмосфере. Но об этом думали «постольку поскольку». То есть, практически не принимали во внимание. Если бы работы велись сегодня, то вряд ли конструкторы ограничились бы высотой нескольких километров. Запуск ядерного двигателя происходил бы на высоте не менее 100 километров. А тогда бы новая ракета стала не столь эффективной, как приведенные выше расчеты.

Однако, «взрыволет Сахарова» так и «остался на бумаге». Так же, как и «атомные танки», «атомные самолеты» и многое другое «атомное», что пытались сконструировать полвека назад. Тем не менее, в результате проектных работ все же был сделан вывод о возможности создания двигательной системы, использующей энергию ядерных взрывов. Может быть, когда-нибудь такие аппараты и появятся. Но не нам с вами суждено их увидеть.

ПРОЕКТ «ОРИОН»

Аналогичный «взрыволету Сахарова» проект существовал и у американцев. Работы велись в США с 1958 по 1965 год специалистами компании «Дженерал Атомикс» по заказу Военно-воздушных Сил США. Впервые идею «Ориона» (под таким названием этот проект и вошел в историю) предложили специалисты Лос-Аламосской лаборатории Станислав Улам и Корнелиус Эверетт в 1955 году. Их концепция заключалась в следующем: взрывы водородных бомб, выбрасываемых из корабля, вызывали испарение дисков, выбрасываемых вслед за бомбами. Расширяющаяся плазма толкала корабль вперед.

По проекту «Орион» проводились не только расчёты, но и натурные испытания. Это были летные испытания моделей, движимых химическими взрывчатыми веществами. Модели называли «put-puts», или «hot rods». Несколько моделей было разрушено, но один 100-метровый полет в ноябре 1959 года, был успешен и показал, что импульсный полет мог быть устойчивым. Аппарат массой 133 килограмма имел форму пули. Во время испытания позади аппарата, за плитой, было произведено шесть взрывов зарядов тринитротолуола по 1,04 килограмма каждый. Для придания начальной скорости аппарат запускался из миномёта.

Для исследования прочности тяговой плиты были проведены испытания на атолле Эниветок в Тихом океане. Во время ядерных испытаний покрытые графитом стальные сферы были размещены в 9 метрах от эпицентра взрыва. Сферы были после взрыва найдены неповрежденными, тонкий слой графита испарился с их поверхностей.

Первоначально «Орион» предполагалось запускать с Земли, с атомного полигона в Неваде. Корабль устанавливался на восьми стартовых башнях высотой 75 метров для того, чтобы не быть повреждённым от ядерного взрыва у поверхности. При запуске каждую секунду должен был производиться один взрыв мощностью 0,1 килотонны. После выхода из атмосферы каждые десять секунд должна была взрываться одна 20-килотонная бомба.

Основной целью проекта «Орион» было создание корабля для исследования Солнечной системы. Но в рамках проекта разработчики проводили предварительные расчеты постройки на базе этой технологии звездолета, который мог бы играть роль «Ноева ковчега». Его масса должны была составить 40 миллионов тонн (!), а численность экипажа 20 тысяч человек. Один из уменьшенных вариантов звездолета массой 100 тысяч тонн мог бы за 130 лет полета достигнуть окрестностей звезды Альфа Центавра, разогнавшись до скорости 10 тысяч километров в секунду.

Дальнейшим развитием идей, положенных в основу «Ориона», можно считать межзвездный зонд «Дедал», который предполагалось направить к находящейся почти в шести световых годах от Солнца звезде Барнарда. Ее окрестностей зонд должен был достигнуть через 49 лет.

Как и проект советских инженеров, «Орион» остался в истории всего лишь «полетом мысли конструкторов», но не реальным аппаратом, который отправился в глубины Вселенной. После закрытия проекта, о нем пишут лишь историки да фантасты. Инженеры отложили свои идеи «в долгий ящик».

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОЕКТЫ

Сегодня вновь говорят о ядерных ракетных двигателях. Сей вопрос стал актуальным после того, как межпланетные полеты перешел в весьма практическую плоскость и стал чуть ли не основной задачей космонавтики ближайших двух десятилетий.

В 2003 году в США под эгидой НАСА была начата программа «Прометей», предусматривавшая разработку ядерной двигательной установки для космических аппаратов. В первую очередь предполагалось использовать эту установку при полетах к дальним планетам Солнечной системы. Было даже израсходовано несколько сотен миллионов долларов, но затем программу закрыли из-за недостатка средств.

Иная ситуация сложилась в России. Мы приступили к работам по ЯРД на пять лет позже, чем американцы, но намерены развернуть их достаточно широко, с тем, чтобы до конца текущего десятилетия иметь в своем арсенале орбитальный буксир с ядерным двигателем.

Это будет силовая установка мегаваттного класса с удельным импульсом тяги от 900 до 5000 секунд и ресурсом 1,5-3 года. Выходная электрическая мощность модуля газотурбинного преобразователя на номинальном режиме должна составить 100-150 киловатт. Наземные испытания прототипа ЯРД планируется начать в 2014 году, а на 2017 год планируется начало летных испытаний в космосе. Спустя два года ЯРД в составе межорбитального буксира должен вступить в строй. Стоимость разработки российского ЯРД оценивается в 580 миллионов долларов.

Некоторые специалисты сомневаются, что ядерный двигатель удастся создать в эти сроки и за эти деньги. Они склонны предполагать, что работы растянутся до середины, если не до конца, 2020-х годов. А затраты на разработку ЯРД перевалят за три миллиарда долларов.

Поэтому говорить о полетах в точки либрации, к астероидам, к Марсу мы продолжаем говорить как о деле отдаленного и неопределенного будущего.

И все-таки придет то время, когда человечество «пересилит» себя и создаст космический корабль с ядерным двигателем. И обеспечит безопасность космонавтов, которым предстоит им управлять. И отправиться на нем к другим планетам. И воплотит в жизнь мечту пионеров практической космонавтики – покорит Марс.

Дата публикации: 2 августа 2012