Космическим кораблям нужно стать атомными, чтобы исследовать Солнечную систему и пространство за ее пределам

НАСА и Илон Маск мечтают о Марсе, и пилотируемые полеты в дальний космос скоро станут реальностью. Вы, наверное, удивитесь, но современные ракеты летают немногим быстрее ракет прошлого.

Быстрые космические корабли удобнее по целому ряду причин, и лучший способ ускориться — это ракеты с атомным двигателем. По сравнению с ракетами на обычном горючем топливе или современными электрическими ракетами на солнечной энергии у них масса преимуществ, но за последние 40 лет США запустили всего восемь ракет на ядерной тяге.

Однако в прошлом году законы насчет ядерных космических полетов изменились, и работа над ракетами следующего поколения уже началась.

Зачем нужна скорость?

На первом этапе любого полета в космос нужна ракета-носитель, — она выводит корабль на орбиту. Эти большие двигатели работают на горючем топливе — и обычно, если речь идет о запуске ракет, имеют в виду их. В ближайшее время они никуда не денутся — как и сила притяжения.

Но когда корабль попадает в космос, все становится интереснее. Чтобы преодолеть силу притяжения Земли и выйти в дальний космос, судну необходимо дополнительное ускорение. И тут-то в игру вступают ядерные системы. Если астронавты хотят исследовать нечто дальше Луны или тем более Марса, придется поторопиться. Космос огромен, и расстояния немаленькие.

Причины, почему быстрые ракеты лучше подходят для дальних космических полетов, две: безопасность и время.

По пути к Марсу астронавтам грозит очень высокий уровень радиации, чреватый серьезными проблемами со здоровьем вплоть до рака и бесплодия. Может помочь радиационная защита, но она чрезвычайно тяжелая, и чем дольше миссия, тем мощнее понадобится экранирование. Поэтому лучший способ снизить дозу облучения — просто добраться до точки назначения быстрее.

Но безопасность экипажа — не единственное преимущество. Чем более дальние полеты мы планируем, тем скорее нам нужны данные с беспилотных миссий. Аппарату «Вояджер-2» (Voyager-2) потребовалось 12 лет, чтобы добраться до Нептуна — и, пролетая мимо, он сделал несколько невероятных снимков. Будь у «Вояджера» двигатель мощнее, эти фотографии и данные появились бы у астрономов гораздо раньше.

Итак, скорость это преимущество. Но почему ядерные системы быстрее?

Сегодняшние системы

Преодолев силу земного притяжения, судну надо учитывать три важных аспекта.

Тяга — какое ускорение получит корабль.

Весовая эффективность — сколько тяги система может выдать для данного количества топлива.

Удельная энергоемкость — сколько энергии выделяет данное количество топлива.

Сегодня наиболее распространены химические двигатели — то есть обычные ракеты на горючем топливе и электрические ракеты на солнечных батареях.

Химические двигательные установки обеспечивают большую тягу, но не особенно эффективны, к тому же ракетное топливо не слишком энергоемкое. Доставившая астронавтов на Луну ракета «Сатурн-5» (Saturn 5) выдавала 35 миллионов ньютонов силы при взлете и несла 950 тысяч галлонов (4 318 787 литров) топлива. Бóльшая его часть ушла на то, чтобы вывести ракету на орбиту, поэтому ограничения очевидны: куда бы вы ни летели, потребуется масса тяжелого топлива.

Электрические двигательные установки выдают тягу, используя электричество от солнечных батарей. Самый распространенный способ этого достичь — использовать электрическое поле для ускорения ионов, например, как в холловском индукторном двигателе малой тяги. Эти устройства используются для питания спутников, и их весовая эффективность впятеро выше, чем у химических систем. Но тягу они при этом выдают гораздо меньшую — порядка 3 ньютонов. Этого хватает лишь на то, чтобы разогнать автомобиль с 0 до 100 километров в час примерно за два с половиной часа. Солнце — по сути бездонный источник энергии, но чем дальше судно от него отдаляется, тем меньше от него прока.

Одна из причин, почему атомные ракеты особенно многообещающи — это невероятная энергоемкость. Урановое топливо, используемое в ядерных реакторах, имеет энергоемкость в 4 миллиона раз выше, чем у гидразина, типичного химического ракетного топлива. А в космос гораздо проще доставить немного урана, чем сотни тысяч галлонов горючего топлива.

А как насчет тяги и весовой эффективности?

Два ядерных варианта

Для космических полетов инженеры разработали два основных типа ядерных систем.

Первый — термоядерный двигатель. Эти системы очень мощные и весьма эффективные. Они используют небольшой ядерный реактор деления — вроде тех, что ставятся на атомные подводные лодки, — для нагрева газа (например, водорода). Затем этот газ ускоряется через сопло ракеты для обеспечения тяги. Инженеры из НАСА подсчитали, что полет на Марс с использованием термоядерного двигателя будет на 20-25% быстрее, чем на ракете с химическим двигателем.
Термоядерные двигатели более чем вдвое эффективнее химических. Это означает, что они выдают вдвое бóльшую тягу при одинаковом количестве топлива — до 100 000 ньютонов тяги. Этого достаточно, чтобы разогнать автомобиль до скорости 100 километров в час примерно за четверть секунды.

Вторая система — ядерный электроракетный двигатель (ЯЭРД). Ни одного такого пока не создано, но замысел состоит в том, чтобы использовать мощный реактор деления для выработки электроэнергии, которая затем приведет в действие электрическую двигательную установку наподобие холловского двигателя. Это было бы очень эффективно — примерно втрое эффективнее термоядерного двигателя. Поскольку мощность у ядерного реактора огромная, то одновременно сможет работать несколько отдельных электрических двигателей, — и тяга получится солидная.

ЯЭРД — пожалуй, лучший выбор для чрезвычайно дальних миссий: они не требуют солнечной энергии, имеют очень высокую эффективность и обеспечивают относительно высокую тягу. Но при всей их перспективности у ЯЭРД еще немало технических проблем, которые придется решить перед вводом в эксплуатацию.

Почему ракет на ядерной тяге до сих пор нет?

Термоядерные двигатели изучаются с 1960-х годов, но в космос они пока не летали.

По уставу 1970-х годов каждый ядерный космический проект рассматривался отдельно и не мог идти дальше без одобрения ряда правительственных учреждений и самого президента. Вкупе с нехваткой финансирования для исследований ядерных ракетных систем, это помешало дальнейшему совершенствованию ядерных реакторов для использования в космосе.

Но все изменилось в августе 2019 года, когда администрация Трампа выпустила президентский меморандум. Настаивая на максимальной безопасности ядерных запусков, новая директива все же дозволяет ядерные миссии с малым количеством радиоактивного материала без сложного межведомственного одобрения. Достаточно подтверждения агентства-спонсора, например, НАСА, — что миссия соответствует рекомендациям по безопасности. Крупные же ядерные миссии проходят те же процедуры, что и прежде.

Наряду с этим пересмотром правил НАСА получило по бюджету 2019 года 100 миллионов долларов на развитие термоядерных двигателей. Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США тоже разрабатывает термоядерный космический двигатель для операций национальной безопасности за пределами земной орбиты.

После 60 лет застоя не исключено, что ядерная ракета отправится в космос уже в течение десятилетия. Это невероятное достижение откроет новую эру освоения космоса. Человек отправится на Марс, а научные эксперименты приведут к новым открытиям по всей Солнечной системе и за ее пределами.

Йейн Бойд — профессор аэрокосмических технических наук Университета Колорадо в Боулдере