Освоить перемещение в космосе на ядерной тяге, маневрировать вокруг Луны как у себя дома, а то и в несколько раз сократить время пути к Марсу — вот амбициозные задачи проекта DRACO. Это слово, означающее «дракон» — аббревиатура от Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations, то есть «Демонстрационная ракета для гибких окололунных операций». Пробный запуск на околоземную орбиту намечен уже на 2027 год, хотя уложиться в заявленные сроки будет непросто.
Проектом занимаются американское космическое агентство NASA и Управление перспективных исследовательских проектов (DARPA) минобороны США. Недавно они выбрали подрядчиков для создания первого космического корабля с двигателем на атомной энергии. Разработкой корабля и двигателя займется компания Lockheed Martin, известный производитель космической техники и оружия. Реактор и ядерное топливо — зона ответственности корпорации BWX Technologies. Общая сумма контракта — $499 млн. При этом обе компании вкладывают в проект и собственные средства, объем которых не разглашается.
Блеск и нищета ракетного топлива
Реактивные двигатели работают благодаря закону сохранения импульса. Импульс физического тела — это его масса, умноженная на скорость. Реактивный двигатель выбрасывает струю газа (рабочего тела). По закону сохранения, реактивная струя и корабль получают одинаковый по величине, но противоположный по направлению импульс.
В химических ракетных двигателях рабочим телом служат продукты сгорания топлива. Горячий газ создает большое давление. Стоит открыть ему путь наружу, и он вырвется из сопла в виде быстрой струи.
Инженеры измеряют эффективность реактивного двигателя удельным импульсом. Эта величина учитывает не только придаваемый кораблю импульс, но и количество затраченного топлива. Удельный импульс измеряется в секундах. Типичное значение для химического двигателя — около 300 секунд, что не так уж много. «Аполлонам» приходилось везти с собой запас топлива, соизмеримый с их собственной сухой массой. И даже этого хватало только на минимально необходимые маневры по изменению орбиты. Основной путь до Луны корабли проделывали с выключенными двигателями, под действием гравитации Солнца.
Но если до Луны таким путем можно добраться за несколько дней, то полет к Марсу займет полгода в одну сторону. Все это время космонавты будут облучаться космической радиацией и подвергаться другим рискам, не говоря о необходимости везти с собой внушительные запасы пищи и воды. Военные, обдумывающие стратегии космических войн, тоже не рады положению, когда «шаг влево, шаг вправо» от расчетной траектории карается провалом.
В космос на реакторе
Температура в камерах сгорания химических двигателей весьма высока. Например, у рабочей лошадки отечественной космонавтики РД-107 она превышает 3000°C. Высокая температура означает внушительную (километры в секунду) скорость струи. Но на создание такого жара расходуется много топлива и окислителя, поэтому удельный импульс ниже, чем хотелось бы.
Самое калорийное топливо, известное человечеству — не химическое, а ядерное. Что если нагревать рабочее тело в атомном реакторе? Тогда при той же температуре 2500–3000°C можно создавать удельный импульс 850–900 с, втрое выше, чем у химических двигателей. И это если речь об обычном (твердофазном) реакторе, где ядерное топливо имеет вид твердых стержней. Еще лучшие перспективы обещает пока не созданный газофазный реактор, в котором делящийся уран находится в состоянии плазмы. Он мог бы нагреть рабочее тело до 6000°C и дать удельный импульс до 2000 с.
В этом и состоит идея ядерного ракетного двигателя (ЯРД). По некоторым расчетам, он может быть выгоднее химического даже при рутинной доставке спутников на геостационарную орбиту, не говоря о межпланетных полетах.
Надежды и разочарования
Работы по таким двигателям начались в 1950-х в СССР и США. Обе страны создали несколько экспериментальных реакторов и проекты двигателей.
Но трудности оказались очень велики. СССР запустил в космос целую серию спутников с ядерными реакторами мощностью в несколько киловатт. Но для маршевых двигателей нужны мегаватты, а это задача совсем другого порядка. Требовались масштабные исследования в металлургии, материаловедении, теплотехнике и так далее.
Вдобавок для этих ракет не было конкретных задач. С доставкой ядерных боеголовок справлялись и химические двигатели, так что военные быстро утратили интерес к ЯРД. Включиться в лунную гонку «ядерщики» тоже не успевали. В итоге американская программа была закрыта в 1973 году. Советские инженеры оказались упорнее. В 1978-м они провели огневые испытания почти готового двигателя. Так называется включение двигателя на неподвижном стенде, не дающем конструкции улететь. Перспектива летных испытаний была более чем реальной. Но конструкторы не успели до Чернобыля, подорвавшего доверие к атомным технологиям. В 1988 году в СССР были свернуты все работы по космическим реакторам. Перспективный газофазный реактор в обеих странах остался на бумаге, не добравшись даже до экспериментальных образцов.
Электричество вместо жара
Спустя много лет Россия вернулась к идее создания ЯРД, но с несколько иным принципом. Мегаваттный реактор будет не нагревать рабочее тело, а вырабатывать электроэнергию. Эта энергия будет питать мощный ионный двигатель. В таких двигателях электрическое поле ускоряет ионизированный газ, который и служит рабочим телом. Ионные двигатели давно применяются на спутниках, но лишь в качестве маневровых. Дело главным образом в небольшой мощности солнечных батарей. Мегаваттный реактор может превратить ионный двигатель в орудие освоения Солнечной системы.
Первый контракт по российскому проекту был заключен еще в 2010 году. Тем не менее в 2019-м запуск планировался не ранее 2030 года.
Сердце дракона
Вернемся к проекту DRACO. Это разработка двойного назначения, поэтому о ней доступна лишь самая общая информация.
Известно, что реактор корабля будет твердофазным. Он будет работать на низкообогащенном уране высокой пробы (High-assay low enriched uranium, HALEU). Так называется топливо с содержанием урана-235 от 5% до 20%. В обычных атомных реакторах используется топливо с долей урана-235 менее 5%.
Повышенная концентрация делящегося изотопа позволяет получить много энергии от небольшого реактора. Но и управлять таким процессом сложнее. Пока HALEU используется только в экспериментальных установках, и ни одна из них еще не отправлялась в космос.
Рабочим телом двигателя послужит водород. Этот легкий газ дает лучший удельный импульс. Но в баках его придется хранить в жидком состоянии, а это очень трудно. Температура кипения жидкого водорода около минус 253°C, так что он требует мощной теплоизоляции. К тому же это вещество легко просачивается сквозь микропоры в материале стенок. Зато удельный импульс двигателя составит около 700 секунд — более чем вдвое выше, чем у типичных химических двигателей. В перспективе планируется увеличить его до 850–900 с.
Успеют ли разработчики решить к 2027 году проблемы, не дававшиеся предшественникам десятилетиями? Наверняка судить трудно, но вряд ли. Скорее уж менеджеры выбивают финансирование, называя заведомо нереалистичные сроки.
Рискованный старт
DRACO выведет в космос обычная химическая ракета: Falcon 9 или пока не введенный в строй Vulcan Centaur. Корабль выйдет на испытательную орбиту высотой от 700 до 2000 км и уже там включит собственный двигатель.
Программа испытаний рассчитана на два месяца, исходя из запасов рабочего тела. Впрочем, разработчики лелеют надежду освоить дозаправку в космосе и продлить первую миссию DRACO. Однако идею заправки кораблей жидкостями отрабатывают не первый год, и пока дело не зашло дальше предварительных экспериментов. Сомнительно, что эта технология появится к 2027-му, тем более когда речь идет о такой капризной субстанции как сжиженный водород.
В первом полете DRACO не будет совершать серьезных маневров. Его задача скромна: проверить работоспособность двигателя. Но и здесь «Дракона» вполне может ждать фиаско, учитывая, что перед запуском не будет огневых испытаний.
В NASA решили, что дешевле испытать двигатель сразу в космосе, чем утилизировать выхлоп на Земле (сейчас не 1960-е, и выпускать в атмосферу мощную струю радиоактивного газа — политическое самоубийство). Однако огневые испытания придуманы не просто так. На Земле забарахливший двигатель можно обследовать до микрона. Если что-то пойдет не так уже в космосе, выявить корень проблем станет гораздо сложнее. Недаром анализ космических аварий зачастую растягивается на годы. А при испытаниях совершенно новой технологии проблемы неизбежны. История проекта Starship, куда менее революционного, чем DRACO, показывает это более чем красноречиво.