За громкими заявлениями Илона Маска о колонизации Красной планеты отступили более практичные планы NASA по пилотируемым марсианским полетам. Однако американское космическое агентство продолжает развитие соответствующих проектов. В частности, оно поручило своим подразделениям и партнёрам изучить существующие и будущие технологии в области ядерной энергетики для космических аппаратов.
Соответствующий объемный отчет опубликованНа портале Национальных академий наук, инженерии и медицины NASEMПериодическое издание доступно в печатном виде за 45 долларов, что эквивалентно примерно 3300 рублям. Бесплатный … PDFСкачивание файла возможно после прохождения регистрации.
В публикации ведущие специалисты ракетно-космической отрасли высказывают своё экспертное мнение по двум основным темам: тепловые ядерные ракетные двигатели… NTPЯдерные реакторы, предназначенные для запуска ракеты-носителя «Сатурн», и ядерные силовые установки для электроракетных двигателей. NEP).
Обе области получили некоторую разработку и реализацию, но для миссий на Марс этого мало. NASANASA планирует высадку людей на Красной планете около 2039 года. Запуск пилотируемого облета Марса или его спутника Фобоса состоится в 2033 году. Вроде бы времени достаточно, однако эксперты полагают, что без принятия мер придется лететь на химических ракетах и существенно ограничивать программу миссий. Весь отчет построен на мысли: без увеличения финансирования и «агрессивного» темпа разработок ядерные реакторы колонизаторам Марса не принесут никакой пользы.
Можно подумать, что NASAАмериканские ведомства вновь пытаются убедить политиков и общественность увеличить финансирование. Хотя это может показаться так на первый взгляд, все запросы вполне обоснованы. Отбрасывая мнение о том, что им просто нужно больше денег, в отчёте есть много полезных и разумных рассуждений.
Особую интересность представляют мнения зарубежных специалистов ракетно-космической отрасли в связи с многолетней историей разработки ядерного космического буксира в России. В отчете выделяются сразу несколько фундаментальных трудностей в разработке каждого из направлений.
Тепловые ядерные ракетные двигатели (ЯРД)
С точки зрения простоты конструкции NTPЭто безусловный лидер в области космических ядерных технологий. В его основе обычный тепловой ракетный двигатель, где рабочее тело (чаще всего водород) нагревается не химическим взаимодействием с окислителем, а прохождением через активную зону атомного реактора. Простая схема установки: газ из бака попадает на тепловыделяющие сборки, нагревается и расширяется, затем вытекает из сопла с огромной скоростью. Такие системы проходили испытания в прошлом веке, некоторые были готовы к работе, но не сложилось.
Создание мощных, безопасных и долговечных ЯРД сдерживается одной проблемой: разработкой материалов, способных выдержать высокие температуры активной зоны. Эффективность таких двигателей максимальна при нагреве водорода до 2700 градусов Кельвина, значение может варьироваться от 2,5 до трёх тысяч градусов в зависимости от конструкции. В этой области материаловедения пока преобладают либо единичные экспериментальные разработки, либо провалы на испытаниях.
Вопрос тестов таких двигателей вызывает дополнительные проблемы: сегодня общественность не допустит выбросов радиоактивных газов в атмосферу, как это было во время космической гонки 1960-х годов. Поэтому придется искать альтернативные решения, например, проводить испытания сразу в космосе.
Остаётся вопрос о хранении водорода в течение всей миссии на Марс и обратной дороги. В жидком виде этот газ проникает во многие материалы, вытекая из бака через микропоры стенок, а также быстро испаряется.
Реакторы для электрических ракетных двигателей
Фактически NEP (Nuclear electric propulsionЭто направление выбирают подрядчики «Роскосмоса». Ядерный реактор, как и на Земле, производит энергию, которую расходуют невероятно эффективные электрические ракетные двигатели (ЭРД). Да, тяга в этом варианте будет небольшой, зато ее можно поддерживать постоянно — рабочего тела расходуется очень мало. А удельный импульс, главная мера эффективности реактивных двигателей, у ЭРД просто очень высокий по сравнению с химическими «коллегами».
С ядерными реакторами в космосе все еще сложнее. У NASAУ российских инженеров есть опыт создания и работы таких энергетических установок в космосе. Но для межпланетных путешествий их мощность нужно увеличить в разы — с единиц или десятков киловатт до мегаватт. Это создаст новые сложности с системами охлаждения, обеспечения безопасности и преобразования тепловой энергии в электричество.
В отчете особое внимание уделено вопросу «поверхностных» реакторов, которые будут использоваться для питания баз на Луне или Марсе в случаях недостатка солнечной энергии. Также такое решение может быть предпочтительным при невозможности доставить фотоэлектрические преобразователи из-за их больших габаритов. Это направление признано приоритетным по трем причинам. Во-первых, уже существует проект, доказавший свою работоспособность KilopowerЭто масштабируемое компактное устройство с ядерным реактором и двигателями Стирлинга мощностью до 10 киловатт.
Потребуется для лунной программы «Артемида», которая стартует ранее.
Работы по «поверхностным» реакторам косвенно продвинут и… NEPпоскольку многое может быть усовершенствовано.
Сдерживающие факторы
По мнению американских специалистов, ядерные энергетические установки — если не обязательный, то крайне желательный элемент пилотируемых марсианских миссий. Аргументы в пользу этого мнения весьма сильны: астронавтам не придется подвергаться повышенным дозам космического излучения в течение полугода, так как атомный космический буксир способен добраться до Марса за полтора-два месяца. Это сокращает время всего полета туда-обратно более чем вшестеро или дает больше времени для работы на поверхности Красной планеты.
Есть неприятные нюансы, обусловленные опытом. Советский Союз лидирует по использованию ядерных реакторов в космосе и является абсолютным рекордсменом по числу опасных инцидентов со спутниками, несут немалые количества радиоактивных материалов.
Сбои в работе аппаратов СССР, пусть и случайные, привели к разбросанию кусками высокообогащенного урана-235 северо-западной Канады и острова Вознесения. Некоторые околоземные орбиты на высотах от 760 до 860 километров останутся непригодными для размещения спутников ещё несколько сотен лет из-за металлических капелек теплоносителя из реактора аппарата «Космос-1818» диаметром до 30 миллиметров.
Разработки в этой области медленны из-за повышенных требований к безопасности конструкции, которые превосходят даже стандарты ракетно-космической отрасли.
Даже если теоретические и экспериментальные данные подтвердят надежность ядерных реакторов для дальних полетов, массовое их использование не гарантировано. В современном обществе широко распространены антиатомные настроения, поэтому идея разместить такую энергетическую установку на ракете вызывает у большинства людей негатив.