Роскон 2017. Атомный панк: война в космосе

Одна маленькая проблема.

Нет у человечества таких двигателей, и в обозримое время не будет.

Для химического двигателя теоретический предел достижимого удельного импульса на отсутствующих в природе идеальных материалах и решениях - 500 секунд. Для сравнения - у ранее помянутого лунного двигателя на алюминии - 285 секунд. РД-253 - 316 секунд. У кислород-водородного двигателя RL-10 ракеты "Сатурн" - крайне эффективные 450-465 секунд.

Заметных улучшений здесь можно достичь лишь за счёт высокой скорости истечения рабочего тела. Добиться его можно только переходом с химической энергетики на заведомо лучшую атомную.

За этим в шестидесятые дело не стало.

Оба перспективных атомных двигателя эпохи, импульсный высокой тяги (Orion) и газовый термальный (NERVA), были достаточно подробно обсчитаны, частично построены в металле, и активно испытывались.

Могли они при этом очень и очень многое.

Технический предел удельного импульса газового термального двигателя типа NERVA составляет 850-900 секунд. Теоретический - до 1200, но таких конструкционных материалов у человечества не было в прошлом тысячелетии, и они не особо торопились появиться раньше нынешнего. Выдержать поток раскалённого до звёздных температур (3500-4000 К) водорода не так-то просто.

Тот газовый атомный двигатель, что построили в металле и опробовали на полигоне в любых режимах, включая критические до стадии физического расплавления и теплового взрыва, обладал удельным импульсом не менее 825 секунд.

В таком двигателе через раскалённую атомной реакцией активную зону пропускается криоводород. Так он получает очень большую энергию и стремительно покидает ракету.

Правда, есть и проблемы. Во-первых, соотношение тяги к массе у такого двигателя заведомо меньше единицы. То есть, для взлёта с планеты он не годится. Только для набора скорости в космосе, где тяга почти не важна.

Во-вторых, список актуальных недостатков, до устранения которых двигателем пользоваться затруднительно до полной невозможности, длиннее чем у "танка победы" Т-34.

Советский аналог РД-0410, к слову, показал себя не сильно лучше, хотя разрабатывался достаточно продолжительное время.

Дело в том, что срок жизни двигателя, в зависимости от рабочей температуры активной зоны, крайне ограничен. Речь идёт о считанных часах, а то и просто одном часе вообще. В результате, изделие подсознательно воспринимается многоразовым, но в реальности обладает сроком жизни примерно в один перегон туда-обратно. Для гарантии лучше бы и вовсе пользоваться многоступенчатой схемой и выбрасывать потерявший доверие агрегат хотя бы на полдороге.

Ограничено и количество включений-выключений. Нагрузка в этот момент достаточна, чтобы заметно сократить общий ресурс двигателя - суммарно пусков эдак в десять.

Сам водород стремительно портит материалы двигателя, тем более - при высоких температурах. Этот негативный эффект можно ограничить до приемлемых значений, если добавить в поток водорода стабилизирующий химический компонент, но он неминуемо понизит эффективность работы двигателя.

Схема выше подразумевает сохранение активной зоны как единого целого с минимальным "расходом" в процессе работы. Скромное количество атомного топлива позволяет в таких режимах совершать долгие перелёты с достаточно высокой эффективностью.

Но это не единственное решение. Стабильную активную зону можно заменить яростным инферно газообразного ядерного топлива в потоке водорода. Смесь раскалённого до звёздных температур радиоактивного газа повысит удельный импульс конструкции разика так в полтора и больше. Да, значительное количество ядерного топлива будет улетать безвозвратно в одном потоке с рабочим телом, а за ракетой останется многокилометровый радиоактивный хвост.

Но какой атомный панк устоит при выигрыше порядка 2500 секунд удельного импульса?

К тому же, при ста метрах от среза дюзы до капсулы экипажа смертельную дозу радиации может получить лишь тот, кто не защищён ничем и никак. Даже при высокоэнергетической орбите длиной порядка 40 дней в одну сторону до Марса, не говоря уже о более скромных.

Прослойка свинца в считанные сантиметры, топливные баки, аппаратные отсеки и всё остальное в предварительных расчётах снижали эту дозу минимум на два порядка..

Если увеличить расстояние дюза-отсек от ста метров до пары сотен, доза уже падает вдвое. Да, ракета станет похожа на степенно летящую вдаль Эйфелеву башню, но кого это волнует, кроме художника-иллюстратора, которому нужно как-то уместить её в кадре?

Гораздо неприятнее проблемы модернизации атомного двигателя ради взлёта с поверхности Земли. Возня со впрыском кислорода для обмена удельного импульса на тягу влечёт за собой массу инженерных трудностей и необходимость орбитальной дозаправки перед космическим перегоном на водороде. Попытки изготовить "ядерную лампу" и оставить раскалённый вихрь атомного горючего крутиться в прозрачной для тепла капсуле просто непосильны для технологий прошлого тысячелетия.

Но у этой проблемы тоже есть решение.

Проект "Орион" - вполне ровесник проекта "Ровер", в рамках которого создавали NERVA и всех его предшественников и последователей.

Первые работы с импульсным ядерным двигателем начались ещё в конце пятидесятых. Моделька гулко бахала зарядами обычной взрывчатки, прикольно колбасилась на привязи и после устранения ряда совсем уж терминальных просчётов с балансом и рабочей частотой начала выглядеть более чем реализуемой схемой атомной ракеты.

Даже очень слабый ядерный взрыв за кормой сообщает крайне увесистому космическому аппарату довольно большую скорость за каждый "пинок в зад".

Слабенькие, от полукилотонны до пяти килотонн, разгонные заряды поднимали бы космический аппарат вполне корабельной массы (4000 тонн) сначала в стратосферу - при частоте два полукилотонных взрыва каждую секунду, потом на стабильную трёхсотмильную орбиту.

Повышение мощности зарядов диктовалось в основном крайне приблизительным знанием того, как повысить количество рабочего тела на опорной плите взрыволёта, когда тот выйдет из плотных слоёв атмосферы.

Работы по созданию атомного боеприпаса направленного взрыва для большей эффективности двигателя, с 2-3 тысяч секунд удельного импульса до 5-6 тысяч, вообще оказались настолько интересной для военных темой, что надолго пережили все работы по самому "Ориону".

Впрочем, об этом позже.

Сейчас нас куда больше интересуют практические нюансы воплощения идиоматического выражения "Иисус Христос на палке-скакалке" в металле. Изделие массой 4000 тонн поднимало бы в космос 1600 тонн полезной нагрузки за один взлёт. Это примерно четыре современных международных космических станции, или вся полезная нагрузка пяти ранее помянутых лунных программ.

Всё удовольствие - ценой полумегатонны очень слабых, и потому, крайне чистых зарядов. Да, обеспечение предельной чистоты срабатывания и максимально полного "сгорания" атомного боеприпаса оказалось вторым побочным и крайне полезным эффектом работ над "Орионом".