Ядерный реактивный двигатель Tory II – настоящий всадник апокалипсиса
Разнообразие двигателей
Родоначальниками ядерной тяги для межпланетных путешествий можно считать физиков из Лос-Аламосской национальной лаборатории. Несмотря на то что ядерные силовые установки не завоевали космос, концепция была предложена в рамках известного «Манхэттенского проекта». Трое ученых – Станислав Улам, Фредерик Райнес и Фредерик де Хоффман разработали две модели ядерного двигателя. В первом варианте ядерное топливо служит источником нагрева рабочего вещества (например, водорода), во втором – ядерный взрыв создает импульс для космического аппарата.
Фредерик Райнес и Станислав Улам – одни из разработчиков идеи ядерного двигателя
Физики выдвинули идею о запуске межпланетных миссий с помощью взрывов ядерных боеприпасов позади космического аппарата. Теоретически это выглядит безупречно, но на практике, к счастью, никто не проводил подобных испытаний. Тем не менее попытки были. Современная история инженерии упоминает американский проект Orion, который можно назвать взрыволётом.
Концепция была крайне проста – взрывы водородных бомб, выбрасываемых из космического корабля, вызывали испарение дисков, следовавших за ними. Расширяющаяся плазма и обеспечивала космическому кораблю необходимый импульс. Аппарат мог бы исследовать бескрайний космос на скоростях, в 2-3 раза превышающих обычные. На один рейс к планете и обратно планировали использовать до 800 миниатюрных водородных бомб. Неизвестно, куда в конечном итоге ушел бы Project Orion, но в 1963 году была подписана Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космосе и под водой. С импульсными ядерными двигателями было покончено.
Космический корабль проекта «Орион» с импульсным ядерным двигателем. Рисунок NASA 1999 года
Космический корабль «Орион» — ключевые компоненты
Но идея применения ядерного топлива для нагрева в реактивных двигателях кажется вполне разумной. Точнее, уран или плутоний не являются единственными вариантами топлива. В качестве второго компонента используется водород, который прокачивается через горячую зону реактора (около 3000 градусов), мгновенно расширяется и выходит из сопла двигателя. В этот момент химической реакции не происходит – водород просто нагревается и, вырываясь из рабочей зоны наружу, создает мощную тягу. Согласно закону сохранения, реактивная струя и корабль получают равные по величине, но противоположные по направлению импульсы.
Водород – самый легкий газ. При нагреве его молекулы движутся быстрее всех остальных газов. Чем быстрее выхлоп – тем эффективнее двигатель. Это называется удельным импульсом, который у ядерных двигателей в два раза выше, чем у лучших химических установок – 850-900 секунд против 450 секунд у керосиновых и водородно-кислородных. Совсем из области научной фантастики газофазный реактор, в котором делящийся уран превращается в плазму. Температура здесь достигает 6000 градусов Цельсия, а импульс сразу в 2000 секунд, что в 4-5 раз превышает аналогичный для традиционных двигателей. Задача состоит в том, чтобы найти материалы с соответствующей термостойкостью и научиться работать с ураном в плазме.
Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO) – космический корабль с ядерным двигателем
Из схемы работы видно, что в условиях Земли никто не станет устанавливать такие силовые установки на межконтинентальные лайнеры. Когда в одном контейнере находятся делящийся уран и водород, можно ожидать серьезных последствий. Рано или поздно. Однако для космоса такая система вполне жизнеспособна. В 2027 году американцы планируют протестировать Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO). Если все пройдет успешно, то в космосе появится первый корабль на атомной тяге. При Трампе шансы на реализацию данного проекта снизились – в следующем году финансирование было значительно сокращено. Ссылаются на эффективность проекта Starship Илона Маска. В прошлом году в России объявили о разработке ядерного буксира «Зевс», который экс-глава «Роскосмоса» Борисов предсказывал запустить в 2030-2040-е годы.
Прямоточные и турбореактивные
В центре нашего внимания не DRACO и даже не «Зевс», а ядерный воздушно-реактивный двигатель, установленные «под капотом» у «Буревестника». По сути, российская ракета не первая, применившая подобную силовую установку – у нас она просто доведена до совершенства. Первыми были американцы с проектом Pluto. Это была тяжелая крылатая ракета с настоящим ядерным реактором на борту – на все это удовольствие в США потратили около двух миллиардов долларов в современных ценах.
Разработка ядерного двигателя для ракеты началась в 1957 году и на тот момент была весьма актуальна. В Советском Союзе тогда уже существовала достаточно мощная ПВО, которая не гарантировала беспрепятственное прохождение американских бомберов к стратегическим объектам. Межконтинентальные баллистические ракеты находились в стадии разработки, и на случай неудачи требовался запасной вариант.
В результате получилась 27-тонная крылатая ракета с реактором Tory-II на борту. Из конструкции было очевидно, что проектировщики были авантюристами. Изделие на 2-3 скоростях звука должно было лететь на высоте в несколько десятков метров – ударная волна выбивала стекла и разрушала легкие постройки. При достижении маршевой скорости воздух прогонялся непосредственно через раскаленные керамические ТВЭЛы из оксида урана, то есть через горячую зону реактора. Температура поднималась до нескольких тысяч градусов, и реактивная тяга разгоняла гигантское изделие до трех скоростей звука.
Машина апокалипсиса с 16 ядерными боеголовками на борту отравляла радиоактивными выбросами все, над чем проходила. Возможно, в сценариях Третьей мировой войны, когда все находится в руинах, это не так критично, но американцы все-таки решили проявить осторожность.
Испытание аэродинамических характеристик сверхзвуковой ракеты малой высоты (SLAM) с ядерным прямоточным воздушно-реактивным двигателем, разработанным в рамках проекта Pluto
Однако не только из-за заботы об экологии – к началу 60-х годов межконтинентальные баллистические ракеты показались более перспективными. Американцы не были единственными, кто стремился создать ядерную крылатую ракету. В СССР параллельно велись разработки нескольких аналогичных проектов (известные шифры — «Тема 31», РД-0411 и др.) в воронежском Конструкторском бюро химавтоматики и НИИ-1 (ныне МКБ «Факел»). Целью было создание дозвуковой крылатой ракеты, летающей на сверхмалой высоте (50-100 м), с дальностью более 10 тысяч км, способной маневрировать и обходить вражеские зоны ПВО. Боевая часть — ядерная мощностью до 1 Мт.
Ракета должна была запускаться с наземных пусковых установок или подводных лодок. Достигнутый уровень — наземные стендовые испытания реакторов с воздушным трактом, но до лётного образца дело не дошло. «Тему 31» закрыли в 1964 году, но уже в 1965-ом стартовали работы по двум ядерным реактивным двигателям – РД-0410 (малый) и РД-0411 (большой). Эти изделия можно условно назвать «экологичными» – тепло реактора передавалось водороду, он нагревался, расширялся и придавался импульс двигателю. Удельный импульс достигал 910 секунд, что в два раза больше, чем у ракетных двигателей на керосине и кислороде. Двигатели были двойного назначения – для межпланетных миссий и установки на тяжелые крылатые ракеты. Работы после нескольких стендовых испытаний были свернуты в 80-е годы. Примерно на этом же уровне готовности американцы завершили эксперименты с проектом Pluto несколькими десятилетиями ранее.
Можно с высокой степенью уверенности утверждать, что «Тема-31» и РД-0411 стали предшественниками современной российской ракеты с ядерной силовой установкой «Буревестник». Судя по всему, отечественным инженерам удалось решить ряд сложных задач. Первая – создание компактного ядерного реактора на быстрых нейтронах мощностью в несколько сотен мегаватт. Вторая – разработка высокотемпературного сплава для теплообменника, работающего при 2000-3000 градусов. Он не должен окисляться и плавиться на протяжении нескольких недель и даже месяцев – «Буревестник» является долгосрочным изделием.
Российская ракета использует атмосферный воздух в качестве рабочего тела, в состав которого входит кислород – достаточно мощный окислитель. Прямого контакта воздуха с тепловыделяющими элементами горячей зоны реактора не происходит. Нагрев воздуха осуществляется через теплообменник, конструкция которого остается главной загадкой столетия. Третья задача – все узлы и элементы ракеты должны быть исключительно надежны и устойчивы.
В отличие от «Буревестника», обычные ракеты работают в лучшем случае несколько десятков минут. Да и компоненты ядерной крылатой ракеты не позволяют надеяться на удачный исход в случае нештатной ситуации. Впрочем, в контексте реального боевого применения термин «нештатная ситуация» будет иметь совершенно другое значение.
- Евгений Федоров