Ядерный реактивный двигатель Tory II – настоящий всадник апокалипсиса
Разнообразие двигателей
Физиков из Лос-Аламосской национальной лаборатории можно по праву считать первопроходцами межпланетных полетов с использованием ядерной тяги. Хотя ядерные силовые установки так и не стали популярны в космосе, сама идея возникла в рамках известного «Манхэттенского проекта». Трое ученых – Станислав Улам, Фредерик Райнес и Фредерик де Хоффман – выдвинули две концепции ядерного двигателя. В первом варианте ядерное топливо служит источником тепла для рабочего тела (например, водорода), во втором – ядерный взрыв создает импульс для космического аппарата.
Фредерик Райнес и Станислав Улам – одни из создателей концепции ядерного двигателя
Физики серьезно обсуждали возможность запуска межпланетных миссий с использованием ядерных взрывов. Теоретически это выглядело прекрасно, но на практике, к счастью, никто не проводил такие испытания. Тем не менее, были попытки. Современная история инженерии упоминает американский проект Orion, который также известен как взрыволет.
Концепция была крайне проста – взрывы водородных бомб, сбрасываемых с космического корабля, приводили к испарению дисков, выбрасываемых вслед за бомбами. Расширяющаяся плазма обеспечивала космическому кораблю необходимый импульс. Аппарат мог бы путешествовать по бескрайним просторам космоса на скоростях, в 2-3 раза превышающих традиционные. На один рейс к планете и обратно планировалось использовать до 800 миниатюрных водородных бомб. Неизвестно, куда в конечном итоге направился бы проект Orion, но в 1963 году была подписана договоренность о запрете испытаний ядерного оружия в атмосфере, космосе и под водой. С ядерными импульсными двигателями было покончено.
Космический корабль проекта «Орион» с импульсным ядерным двигателем. Рисунок NASA 1999 года
Космический корабль «Орион» — ключевые компоненты
Идея использования ядерного топлива в качестве источника тепла для реактивных двигателей выглядит достаточно разумно. В этом контексте уран или плутоний не являются единственными вариантами топлива. В качестве второго компонента используется водород, который прокачивается через горячую зону реактора (около 3000 градусов), мгновенно расширяясь и выходя из сопла двигателя. В этот момент никаких химических реакций не происходит – водород просто нагревается и, вырываясь наружу, создает мощную тягу. По закону сохранения, реактивная струя и корабль получают одинаковый по величине, но противоположный по направлению импульс.
Водород – самый легкий газ. При нагревании его молекулы движутся быстрее, чем у других газов. Чем быстрее выхлоп, тем эффективнее двигатель. Это называется удельный импульс, 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, где делящийся уран доведен до состояния плазмы. Температура здесь достигает 6000 градусов Цельсия, а импульс составляет 2000 секунд, что в 4-5 раз выше, чем у традиционных двигателей. Остается задача найти материалы, способные выдерживать такие температуры, и научиться работать с ураном в плазме.
Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO) – космический аппарат с ядерным двигателем
Из схемы работы видно, что в земных условиях никто не станет устанавливать такие силовые установки на межконтинентальные лайнеры. Когда в одном устройстве находятся делящийся уран и водород, следует ожидать крупных неприятностей. Рано или поздно. Однако для космоса такая система вполне работоспособна. В 2027 году американцы планируют протестировать Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO), что переводится как «Демонстрационная ракета для гибких окололунных операций». Если все пройдет успешно, в космосе появится первый корабль на атомной тяге. При администрации Трампа шансы на реализацию этого проекта уменьшились – в следующем году финансирование значительно сократилось. Упоминается эффективность проекта Starship Илона Маска. В прошлом году в России озвучили планы разработки ядерного буксира «Зевс», который, по словам бывшего главы «Роскосмоса» Борисова, должен быть запущен в 2030-2040 годы.
Прямоточные и турбореактивные
Нас интересует не DRACO и даже не «Зевс», а ядерный воздушно-реактивный двигатель, устанавливаемый в «Буревестник». Фактически, российская ракета не первая, использующая подобную силовую установку – у нас она просто доведена до совершенства. Первопроходцами 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 была очень актуальна на то время. В Советском Союзе на тот момент уже существовала довольно эффективная ПВО, которая не гарантировала свободное прохождение американских бомбардировщиков 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. Машина на 2-3 скоростях звука должна была двигаться на высоте в несколько десятков метров – ударная волна выбивала стекла и разрушала легкие конструкции. При выходе на маршевую скорость воздух проходил прямо через раскаленные керамические ТВЭЛы из оксида урана, то есть через горячую зону реактора. Температура поднималась до нескольких тысяч градусов, и реактивная тяга разгоняла это гигантское устройство до трех скоростей звука.
Машина апокалипсиса с 16 ядерными боеголовками на борту отравляла радиоактивными выбросами все, над чем пролетала. Возможно, в сценариях Третьей мировой войны, когда все вокруг в руинах, это не так уж критично, но американцы все же 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 стали выглядеть более перспективными. Американцы не были единственными, кто стремился создать ядерную крылатую ракету. В СССР параллельно разрабатывались несколько аналогичных проектов (известные коды — «Тема 31», РД-0411 и др.) в воронежском Конструкторском бюро химавтоматики и НИИ-1 (ныне МКБ «Факел»). Целью было создание дозвуковой крылатой ракеты, способной летать на сверхмалой высоте (50-100 м) с дальностью более 10 тысяч км, маневрируя и обходя 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-м начали работы по двум ядерным реактивным двигателям – РД-0410 (малый) и РД-0411 (большой). Эти изделия можно условно назвать «экологичными» – тепло реактора передавалось водороду, который нагревался, расширялся и придавал импульс двигателю. Удельный импульс составлял 910 секунд, что в два раза больше, чем у ракетных двигателей на керосине и кислороде. Двигатели имели двойное назначение – для межпланетных миссий и установки на тяжелые крылатые ракеты. Работы после нескольких стендовых испытаний прекратились в 80-е годы. Примерно на том же уровне готовности американцы завершили эксперименты с проектом Pluto несколько десятилетий ранее.
Можно с уверенностью 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 заключалась в создании компактного ядерного реактора на быстрых нейтронах мощностью в несколько сотен мегаватт. Вторая – разработка высокотемпературного сплава для теплообменника, способного работать при 2000-3000 градусов. Он должен быть устойчивым к окислению и плавлению на протяжении нескольких недель и даже месяцев – «Буревестник» это долговечное изделие.
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 нет. Нагрев воздуха происходит через теплообменник, конструкция которого остается одной из главных тайн столетия. Третья проблема заключается в том, что все узлы и элементы ракеты должны быть крайне надежными и устойчивыми.
В отличие от «Буревестника», обычные ракеты функционируют в лучшем случае несколько десятков минут. Да и внутреннее устройство ядерной крылатой ракеты не позволяет надеяться на положительный исход в случае нештатной ситуации. Однако в случае реального боевого применения термин «нештатная ситуация» будет иметь совершенно другое значение.
- Евгений Федоров