Прогресс в области космических технологий часто начинался с грандиозных устремлений, не ограниченных реальными бюджетными, экологическими или законодательными ограничениями. Просто представьте: идёт 2028 год, и команда лунной миссии NASA Artemis V застряла на космической станции Gateway на лунной орбите, а источник питания только что отключился. Космическому агентству отчаянно нужно доставить туда ещё одну энергодвигательную установку как можно скорее, но оснащённому электрическим двигателем космическому аппарату, который привёз сломавшуюся установку на станцию, потребуется ещё несколько недель, чтобы вернуться обратно. Кроме того, NASA не cможет быстро организовать запуск ещё одной огромной ракеты SLS.

Если Табита Додсон добьётся своего, то Космические силы США смогут прийти на помощь, запустив такую установку на станцию с низкой околоземной орбиты при помощи атомной технологии нового поколения, задуманной DARPA. “При этом не потребуется несколько месяцев, чтобы доставить её туда. Это займет день или около того”, — говорит она.

В рамках DRACO, DARPA стремится разработать, построить и запустить на орбиту космический аппарат с ядерным ракетным двигателем в 2026 финансовом году. Если всё пойдет по плану, он станет основой флота космических буксиров с ядерными двигателями, которые смогут перемещать большие спутники.

“Мы нацелены на достижение окололунного пространства за пределами орбиты Земли”, — говорит Додсон.

Так же стоит подчеркнуть, что эта идея всё ещё находится под вопросом. Фактически, одним из препятствий перед более широким использованием этой технологии является необходимость убедить экспертов и общественность в том, что ядерные реакторы на ракетах не будут представлять угрозу. Эти опасения, как реальные, так и мнимые, а также оставшиеся технические проблемы разработки работоспособного ядерного ракетного двигателя делают задачу, стоящую перед DARPA и NASA, очень сложной. Добавьте к этому третье препятствие — федеральные законодательные и бюджетные препятствия, и вы начнёте понимать, почему эта идея не стала популярной в 1970-х годах, и почему всё ещё остаются сомнения в том, будут ли события развиваться иначе на этот раз.

Почему именно ядерный?

Каждый год профессор аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института Пауло Лозано ведёт курс о ракетных двигателях. “В последнее время я добавил несколько лекций о ядерных ракетных двигателях, именно потому, что я думаю, что эта технология возвращается в нашу жизнь”, — говорит он.

Важны не сами исследования ядерных ракетных двигателей, проводимые NASA и DARPA. Важно то, для чего они предназначены. А именно — для быстрой доставки больших грузов на геосинхронную орбиту и далее, для строительства лунных баз и полётов на Марс. Для выполнения этих задач можно использовать и другие силовые установки, но по словам Лозано, это гораздо более гибкий вариант.

«Я думаю, что у ядерных двигателей есть своя ниша — быстрый полёт к дальним космическим объектам, — говорит он. — Это то, для чего ядерная технология подойдёт, скорее всего, лучше, чем любая другая».

Антонио Каломино, управляющий программой ядерных космических технологий при Управлении космических технологий NASA, говорит, что демонстрация в космосе автоматического аппарата с ядерными ракетными двигателями к началу 2030-х годов может предоставить агентству альтернативный способ транспортировки людей на Марс. Космический аппарат, оснащённый подобной технологией, мог бы добраться туда за четыре-шесть месяцев, вместо девяти, необходимых при использовании химической тяги.

Быстрое достижение Марса является не просто удобством — это может быть способом выживания для экипажа космического корабля. Астронавты, проводящие длительное время за пределами магнитосферы Земли, подвергаются высокоэнергетическому космическому излучению, которое может необратимо повредить их ДНК. По словам старшего куратора Национального музея авиации и космонавтики Смитсоновского института Майкла Ньюфелда, исторически было несколько подходов к решению этой проблемы.

«Либо нам нужна гораздо лучшая защита от радиации (что повышает массу корабля и требует дополнительных ресурсов), либо мы должны учитывать повышенные риски здоровью экипажа, либо нам нужен ядерный ракетный двигатель, чтобы мы не проводили столько месяцев в пути».

Компания Atomos Space, базирующаяся в Денвере, разрабатывает космический буксир с ядерными ракетными двигателями для доставки спутников на более высокие орбиты после запуска, хотя она же в ближайшее время, вероятно, будет использовать солнечно-электрический привод.

«Долгосрочное перспектива заключается в использовании космических ядерных технологий, потому что это лучший способ передвижения как вблизи Земли, так и за её пределами, — говорит сооснователь и генеральный директор Atomos Space Уильям Ковальски. — Это значительно “уменьшит” Солнечную систему».

Основные преимущества ядерных ракетных двигателей в сравнении с обычными химическими вытекают из основ физики космического пространства. Любой двигатель обеспечит некоторую силу тяги за счёт выброса рабочего тела с определённой степенью эффективности — , специфическим импульсом двигателя, измеряемого в секундах. Химический ракетный двигатель, такой как RS-25, использовавшийся в Space Shuttle, а сейчас задействованный на первой ступени ракеты NASA SLS, обладает большой тягой, около 2,277,489 ньютонов, но относительно скромным импульсом в космическом пространстве, равным 452 секундам. По словам Лозано, это практически максимальная эффективность, которую можно достичь в химических ракетных двигателях.

Электрические двигатели, такие как двигатели на эффекте Холла спутников SpaceX Starlink, создают около 1 ньютона тяги или даже менее, но делают это с большей эффективностью, достигая удельных импульсов в тысячи секунд.

Ядерные же двигатели в сравнении с химическими могут обеспечить как более высокую тягу, так и удельный импульс. Разрабатывавшийся в течении 1950-х, 60-х и 70-х годов в Соединенных Штатах вакуумный двигатель NERVA так и не был запущен в космос, но на земле в ходе испытаний он производил тягу в 246,662 ньютона с удельным импульсом около 841 секунды.

«Удельный импульс примерно масштабируется как квадратный корень от температуры выброса рабочего тела, делённой на его молекулярную массу, — говорит Додсон. — Для достижения наибольшей возможной скорости нужен водород с наименьшей атомарной массой. Кроме того необходимо нагреть реактор до очень высоких температур, чтобы увеличить этот удельный импульс».

Одним из ключевых преимуществ ядерного двигателя является отсутствие процесса сгорания. Жидкий водород нагревается реактором, но не горит, что устраняет необходимость наличия дополнительной массы окислителя. «Таким образом, начальная масса космического корабля не так велика, как была бы в случае использования химической системы», — говорит Лозано.

Так, можно запустить мощную вторую ступень с ядерным двигателем на небольшой обычной ракете. Именно это более 50 лет назад и планировалось достичь при помощи NERVA.

Амбициозные планы и ядерные ракеты

В мае 1961 года президент США Джон Ф. Кеннеди произнёс речь перед Конгрессом, которая впоследствии стала знаменитой тем, что направила Америку к покорению Луны. Но, как отмечает Додсон, Кеннеди делал ставку не только на достижение нашего спутника. Он продолжил свою речь, говоря, что нация должна ускорить развитие ядерной ракеты Rover. Что эта технология даёт надежду, что когда-нибудь будет создан аппарат для ещё более захватывающего и амбициозного исследования космоса, возможно, полётов за пределы Луны, а быть может, даже до самого края Солнечной системы.

Проект Rover был попыткой США разработать ядерный ракетный двигатель, изначально предназначенный для верхней ступени межконтинентальной баллистической ракеты. Когда программу передали из ВВС в NASA, она была интегрирована в NERVA, и основной упор был сделан на разработку двигателя для длительных космических полётов. Исследования велись в Национальной лаборатории Лос-Аламос в Нью-Мексико. Они начались в 1955 году и продолжались до 1973-го, когда изменение национальной стратегии и приоритетов NASA привели к его закрытию.

«Проект Rover зиждился на увлечении общества ядерными технологиями в 1950-е годы и увлечении космосом в 1960-е, — говорит Ньюфелд. — У NASA было много денег в то время, поэтому легко было представить, что агентство сможет взять проект ядерного ракетного двигателя в работу после эпохи “Аполлона”».

Додсон утверждает, что при помощи ракеты с ядерным двигателем, NASA смогло бы доставлять крупные грузы на Луну и за её пределы, оборудуя свои аппараты топливными баками гораздо меньших размеров. «Таким образом, можно было бы отправлять ещё более крупные грузы на Луну или такое же количество груза, но значительно быстрее», — говорит она.

В то время инженеры разрабатывали двигатель NERVA на основе реактора с графитовым ядром, работающим на высокообогащённом (или «оружейном») уране. Реактор и двигатель хорошо отработали по меньшей мере в ходе шести наземных испытаний между 1964 и 1969 годами, производя в среднем около 1100 мегаватт энергии.

Однако NERVA в конечном итоге стал жертвой всё той же околокосмической усталости общества от всей лунной программы, что привела к её урезанию после посадки «Аполлона-17» на Луну в 1972 году.

«Между 1966 и серединой 70-х бюджет NASA фактически уменьшился вдвое, — говорит Ньюфелд. — Просто не было возможности продолжать лоббировать программу разработки ядерных ракетных двигателей». Она была отменена в 1973 году.

Двигатель NERVA никогда не побывал в космосе. Единственным американским ядерным реактором, который смог достичь околокосмического пространства, был реактор SNAP-10A, запущенный в апреле 1965 года, но он не был предназначен для питания двигателей ракеты, а скорее был прототипом, генерирующим электричество для спутников.

Однако интерес к ядерным двигателям не угас. В конце 1980-х и начале 1990-х годов были проведены исследования новой конструкции ракеты, оборудованной подобными двигателями, финансируемые Стратегической Оборонной Инициативой. Дальнейшие же разработки осуществлялись в рамках программы ВВС США Space Nuclear Thermal Propulsion, но все эти работы были свернуты в 1994 году. Также NASA начало реализовывать в начале 2000-х годов амбициозную миссию Jupiter Icy Moons Orbiter, JIMO, в которой использовался ядерный электрический реактор, питающий ионные двигатели, но она была отменена в 2005 году.

Ни один из этих проектов не продвинулся так далеко в тестировании прототипа двигателя, как в рамках программы NERVA. «Сейчас мы буквально снова снимаем NERVA с полки и стряхиваем с этой программы пыль», — говорит Додсон.

Разработка современной ядерной ракеты

Однако возобновление работы над программой NERVA означает не просто создание нового двигателя в соответствии со спецификациями старой системы. Двигатель NERVA никогда не испытывался в космосе. Более того, остаются различные технические и политические проблемы, препятствующие воплощению этой технологии.

«Во-первых, неясно, действительно ли двигатель NERVA был полностью работоспособным и соответствует ли он текущим требованиям NASA», — говорит Каломино.

«Возможно, они не знали, смогут ли используемые в проекте материалы выдерживать соответствующие нагрузки, — отмечает он. — Как долго может работать этот двигатель? Можно ли получить сертификат на его использование в пилотируемых полётах? Достаточно ли он надёжен?»

Основной проблемой подобных двигателей является терморегуляция. Высокая температура обеспечивает более высокий удельный импульс, но также разрушает компоненты двигателя, ограничивая срок их службы. Особенно это касается ядерного топлива в реакторном блоке, замечает Паоло Веннери, управляющий департаментом передовых технологий в Ultra Safe Nuclear Corp. Сиэтлская фирма является подрядчиком двух компаний, получивших контракты на разработку ядерных двигателей — Blue Origin и General Atomics.

«Температура на выходе из реактора для ядерного ракетного двигателя составляет около 2700 °C, — говорит Веннери. — На сегодняшний день не существует ядерного топлива, которое может работать при такой температуре в течение необходимого периода времени».

В программе NERVA использовался «оружейный» уран, что означает обогащение руды до содержания по меньшей мере 85% урана-235, изотопа, более подходящего для расщепления, чем уран-238, также содержащегося в руде. Использование такого топлива сильно ограничено из-за опасений распространения ядерного оружия, поэтому все существующие программы исследований ядерных двигателей сосредоточены на использовании топлива с высоким содержанием низкообогащённого урана (HALEU), с обогащением до уровней порядка 20% -— меньше, чем в случае с «оружейным» ураном, но выше, чем 5% обогащения, используемые в традиционных ядерных электростанциях.

Но использование такого топлива также создаёт проблемы при проектировании, говорит Додсон. С учётом меньшего количества расщепляющегося материала в активной зоне, при проектировании реактора должны быть использованы специальные материалы, чтобы замедлять нейтроны высокой энергии настолько, чтобы они ударялись и расщепляли дополнительные атомы урана, поддерживая цепную ядерную реакцию.

Это, по сути, задачи материаловедения, полагает Каломино, который пришел в NASA с опытом работы в этой области. Наука о материалах значительно продвинулась за полвека.

«Наши возможности к проектированию подобных систем значительно развились за последние 50 лет, — говорит он. — У нас уже есть решения для некоторых из этих проблем».

Моделирование может помочь распознать горячие точки в реакторном ядре, где могут возникнуть повреждения, в то время как передовые материалы — включая бериллий и металлические гидриды — могут замедлить нейтроны достаточно, чтобы обеспечить расщепление ядер низкообогащённого топлива.

«Эти замедлители на самом деле нам очень пригодятся, — говорит он. — Мы сможем создать космические реакторы с низкообогащённым ураном такого объёма и массы, какие нам необходимы, чтобы на самом деле сделать их полностью рабочими системами».

Ракетно-ядерная безопасность

Поскольку мы говорим о размещении ядерного реактора на ракете, безопасность — это вызов будущему проекту в этой области, и это одновременно как инженерная, так и проблема связей с общественностью.

«Убедить общественность в том, что наличие урана на космическам аппарате безопасно — весьма нетривиальная задача», — говорит Ньюфелд, отмечая, что в 1997 году возникли протесты против запуска зонда NASA Cassini из-за наличия плутония в его радиоизотопном термоэлектрическом генераторе.

Хотя идея расщепления атомов вместо того, чтобы просто размещать плутониевые гранулы, как это сделано в РИТЭГах, может показаться более пугающей, по мнению Веннери, урановые ядерные реакторы на самом деле представляют меньшую опасность, если что-то пойдёт не так на стартовой площадке.

Космические аппараты с урановыми реакторами на старте подвержены меньшему риску, чем обычные радиоизотопные термоэлектрическом генераторы, поскольку они не являются радиоактивными до их включения. В отличие от них, уран-238 в РИТЭГах всегда испускает опасное излучение в процессе естественного ядерного распада, высвобождающего тепло, используемое для генерации электричества.

Механизмы безопасности должны включать в себя множество предосторожностей, в том числе такие, чтобы реактор не мог включиться до выхода на безопасную орбиту, даже в аварийных условиях, таких как проникновение в его активную зону воды, усиливающей деление.

«Речь идёт о том, чтобы поместить внутрь реактора “яды”, препятствующие его включению в случае аварии, — говорит он, — вроде поглощающего нейтроны стержня из карбида бора. Если вы просто вставите один из них внутрь реактора, это будет едва ли не самый эффективный способ его уничтожить».

Регуляции и расходы

Не удивительно, что правительство пытается регулировать те сферы, где возникают серьёзные вопросы к безопасности. «Серьёзной преградой на пути создания ядерного космического аппарата могут стать законодательные ограничения», — говорит сооснователь Atomos Space Уильям Ковальски.

Последние несколько лет в целом были благоприятны для сторонников космической ядерной энергетики в плане благосклонности правительства. Так, в августе 2019 года президент США Дональд Трамп подписал меморандум по национальной безопасности №20, который дал право организациям запускать ядерные двигатели, работающие на низкообогащённом уране.

«В предыдущей версии документа в процессе одобрения запуска аналитики застревали в так называемом “аналитическом параличе” и тратили годы на переписку», — говорит Додсон. С помощью данного меморандума, в случае с DRACO, Министерство обороны сможет принять окончательное решение о запуске демонстрационного аппарата с ядерным двигателем, не требуя одобрения от Исполнительного офиса президента.

Кроме того, в декабре 2020 года Трамп подписал Президентский указ №6 о космической политик, который не рекомендует применение «оружейного» урана за исключением случаев, когда использование низкообогащённого урана невозможно, и поощряет участие частного сектора в разработке ядерного ракетного двигателя и создание отдельного надзора за запуском для частных предприятий.

«Он утвердил создание различных процессов запуска для государственных и коммерческих структур, а также уточнил, что любой запуск коммерческой компанией будет регулироваться Федеральным управлением гражданской авиации (FAA), — говорит Веннери. — FAA сейчас работает над основными положениями этой процедуры».

FAA отказалось прокомментировать свои наработки в связи с Президентским указом №6 о космической политике.

Для проверки регуляторных ограничений Atomos Space планирует запустить реактор в космос в середине 2020-х годов. Он будет генерировать электрическую энергию, а не питать двигатели аппарата, так как основная цель заключается в том, чтобы протестировать, как реально будет работать процесс лицензирования для частной компании в новой регуляторной среде.

Однако все регуляторные нормы и исполнительные меморандумы могут оказаться недостаточными для запуска этих новых систем, если Конгресс потеряет интерес к миссиям, которым необходим ядерный ракетный двигатель. Если Конгресс обрежет финансирование, DRACO может стать ещё одним NERVA — демонстратором концепции, который сразу же отправится на полку.

«В конечном счете, всё сводится к вопросу о том, будут ли деньги на столь амбициозную программу космических пилотируемых полётов за пределы Луны, — говорит Ньюфелд. — Моё личное мнение о программе “Артемида” заключается в том, что в случае строительства базы постоянного пребывания на Луне она станет довольно дорогим удовольствием. И я не ожидаю, что Марс будет достигнут в ближайшее время».

В отличие от эпохи «Аполлона», сейчас ядерный ракетный двигатель предназначен не только для миссий на Марс и Луну. Быстрое распространение спутников на всех высотах, международная конкуренция и создание Космических сил США демонстрируют возможности для использования подобных систем как в военной, так и в гражданской областях.

По крайней мере, на это рассчитывает Ковальски и компания Atomos Space.

«Я думаю, то, чего раньше действительно не хватало, и что сейчас на самом деле изменилось — это появление большего числа запросов на данную технологию от самых разных структур, — говорит он. — У нас есть реальная потребность в соответствующих миссиях. Это, без всякого сомнения, и создаёт коммерческую обоснованность подобных систем».

Источник