Ядерный реактивный двигатель Tory II – настоящий всадник апокалипсиса
Разнообразие двигателей
Создателями межпланетных путешествий на ядерной энергии можно смело считать ученых из Лос-Аламосской национальной лаборатории. Несмотря на то, что ядерные силовые установки так и не смогли покорить космос, идея была предложена в рамках известного «Манхэттенского проекта». Три ученых – Станислав Улам, Фредерик Райнес и Фредерик де Хоффман представили 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 – один из авторов идеи ядерного двигателя
Ученые всерьез рассматривали возможность запуска межпланетных миссий, взрывая ядерные боеприпасы позади космического корабля. Теоретически это выглядело безупречно, но на практике, к счастью, такие испытания не проводились. Тем не менее, попытки имели место. Современная история инженерии упоминает о американском проекте Orion, который можно назвать взрыволётом.
Концепция была крайне простой – взрывы водородных бомб, выбрасываемых из космического корабля, приводили к испарению дисков, выбрасываемых вслед за бомбами. Расширяющаяся плазма и обеспечивала космическому кораблю необходимый импульс. Аппарат был способен путешествовать по бескрайним просторам космоса на скоростях, в 2-3 раза превышающих традиционные. Для одного рейса к планете и обратно планировалось использовать до 800 миниатюрных водородных бомб. Неизвестно, куда в конечном итоге отправился бы Project Orion, но в 1963 году была подписана Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космосе и под водой. Проекты с импульсными ядерными двигателями были закрыты.
Космический корабль проекта «Орион» с импульсным ядерным двигателем. Рисунок NASA 1999 года
Космический корабль «Орион» — ключевые компоненты
Тем не менее, идея применения ядерного топлива в качестве источника тепла в реактивных двигателях выглядит вполне разумной. Более того, уран или плутоний не являются единственными видами топлива. В качестве второго компонента выступает водород, прокачиваемый через горячую зону реактора (около 3000 градусов), который мгновенно расширяется и вырывается из сопла двигателя. В этот момент никакой химической реакции не происходит – водород лишь нагревается и, покидая рабочую зону, создает мощную тягу. Согласно закону сохранения, реактивная струя и корабль получают одинаковый по величине, но противоположный по направлению импульс.
Водород – самый легкий газ. При его нагревании молекулы начинают двигаться быстрее, чем у остальных газов. Чем выше скорость выхлопа, тем эффективнее работает двигатель. Это называется удельным импульсом, который у ядерных двигателей в два раза больше, чем у лучших химических установок – 850-900 секунд против 450 секунд у керосиновых и водородно-кислородных. В области научной фантастики находится газофазный реактор, в котором делящийся уран превращен в плазму. Температура в этом случае достигает 6000 градусов Цельсия, а импульс составляет 2000 секунд, что в 4-5 раз превышает аналогичные показатели традиционных двигателей. Остается лишь найти материалы, способные выдерживать такие температуры, и научиться работать с ураном в плазме.
Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO) – космический корабль с ядерным двигателем
Из описанной схемы работы становится очевидно, что в земных условиях никто не станет устанавливать такие силовые установки на межконтинентальные лайнеры. Когда в одном флаконе находятся делящийся уран и водород – ждите проблем. Рано или поздно. А вот для космоса такая система вполне приемлема. 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 Трампе шансы на реализацию данной идеи в металле уменьшились – в следующем году финансирование было значительно сокращено. Ссылаются на эффективность проекта Starship Илона Маска. В прошлом году в России упоминали о разработке ядерного буксира «Зевс», запуск которого экс-глава «Роскосмоса» Борисов предсказывал на 2030-2040-е годы.
Прямоточные и турбореактивные
Нас интересует не DRACO и не «Зевс», а ядерный воздушно-реактивный двигатель, устанавливаемый «под капотом» у «Буревестника». На самом деле, российская ракета не первая, кому была присвоена такая силовая установка – у нас она просто доведена до совершенства. Первые шаги сделали 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 деньгах.
Работы над ядерным двигателем для ракеты начались в 1957 году и были весьма актуальны на тот момент. В Советском Союзе уже существовала вполне надежная ПВО, которая не гарантировала безопасное прохождение американских бомбардировщиков к стратегическим объектам. Межконтинентальные баллистические ракеты находились в стадии разработки, и в случае неудачи требовался альтернативный вариант.
В итоге была создана 27-тонная крылатая ракета с реактором Tory-II на борту. Из конструкции было очевидно, что проектировали машину авантюристы. Изделие на 2-3 скоростях звука должно было лететь на высоте в несколько десятков метров – ударная волна выбивала стекла и разрушала легкие строения. 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 гигантскую конструкцию до трех скоростей звука.
Машина апокалипсиса с 16 ядерными боеголовками на борту оставляла радиоактивные следы за собой. Возможно, в сценариях Третьей мировой войны, когда все в руинах, это и не критично, но американцы все же предпочли от этого отказаться.
Испытание аэродинамических характеристик сверхзвуковой ракеты малой высоты (SLAM) с ядерным прямоточным воздушно-реактивным двигателем, разработанным в рамках проекта Pluto
Однако не только из соображений экологии – к началу 60-х годов межконтинентальные баллистические ракеты стали выглядеть более многообещающими. Американцы не были единственными, кто стремился создать ядерную крылатую ракету. В СССР параллельно разрабатывались несколько 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, способной маневрировать и обходить вражеские районы ПВО, с дальностью более 10 тысяч км, летающей на сверхнизкой высоте (50-100 м). Боевая часть должна была быть ядерной мощностью до 1 Мт.
Ракета планировалась к запуску с наземных установок или подлодок. Достигнутый уровень – наземные стендовые испытания реакторов с воздушным трактом, но до летного образца дело не дошло. «Тему 31» закрыли в 1964 году, но уже в 1965-ом начались работы по двум ядерным реактивным двигателям – РД-0410 (малый) и РД-0411 (большой). Эти разработки можно условно назвать «экологичными» – тепло реактора передавалось водороду, он нагревался, расширялся и придавал импульс двигателю. Удельный импульс составил 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 были свернуты в 80-е годы после нескольких стендовых испытаний. На примерно таком же уровне готовности американцы завершили свои эксперименты с проектом Pluto за пару десятилетий до этого.
Можно с уверенностью сказать, что «Тема-31» и РД-0411 стали предшественниками современной российской ракеты с ядерной силовой установкой «Буревестник». Судя по всему, отечественным инженерам удалось решить несколько сложных задач. Первая – создание компактного ядерного реактора на быстрых нейтронах мощностью в несколько сотен мегаватт. Второе – разработка высокотемпературного сплава для теплообменника, способного функционировать при 2000-3000 градусов. Он не должен окисляться и плавиться в течение нескольких недель и даже месяцев – «Буревестник» – это долговечное изделие.
Российская ракета использует атмосферный воздух в качестве рабочего тела, в который входит кислород – достаточно мощный окислитель. Прямого контакта воздуха с тепловыделяющими элементами горячей зоны реактора нет. Нагрев воздуха происходит через теплообменник, конструкция которого остается главной загадкой столетия. Третья проблема заключается в том, что все узлы и элементы ракеты должны быть исключительно надежными и устойчивыми.
В отличие от «Буревестника», обычные ракеты функционируют в лучшем случае несколько десятков минут. И начинка ядерной крылатой ракеты не позволяет надеяться на положительный исход в случае экстренной ситуации. Впрочем, в случае реального боевого применения термин «нештатная ситуация» будет иметь совершенно иное значение.
- Евгений Федоров