На Марс за 45 дней? Как и зачем NASA планирует возродить разработку ракеты на ядерной тяге

Бимодальный NTP/NEP

Разработку «ядерной тепловой и ядерной электрической двигательной установки (NTP/NEP)» одобрили эксперты Института передовых концепций NASA (NIAC).

Инициатором проекта стал руководитель программы гиперзвукового движения Университета Флориды профессор Райан Госсе. Его идею включили в 14 концепций, отобранных NIAC для предоставления исследовательских грантов.

«Этот бимодальный дизайн обеспечивает быстрый переход для пилотируемых миссий (45 дней до Марса) и революционизирует исследование дальнего космоса нашей Солнечной системы», 一 заявил Госсе.

Новая установка основана на закрытом более 50 лет назад проекте ядерного двигателя для ракетных транспортных средств NERVA, который стал одним из первых твердотопливных ядерных двигателей, прошедшим успешные испытания.

Суть работы этого двигателя заключается в нагревании жидкого водородного топлива (LH2) в ядерном реакторе для его превращения в ионизированный газообразный водород-плазму, который создает реактивную тягу при дальнейшем сжигании в соплах.

Госсе планирует объединить такую технологию с ядерно-электрической двигательной установкой (NEP), ядерный реактор в которой обеспечивает электроэнергией двигатель для создания электромагнитного поля. Это позволяет ионизировать и ускорять инертный газ (например, ксенон) для создания тяги.

Ключевым показателем эффективности подобных двигателей является удельный импульс тяги (Isp), который демонстрирует отношение тяги двигателя к массовому расходу топлива и измеряется в секундах. Этот же показатель используют для измерения эффективности традиционных ракетных двигателей на химическом топливе.

Удельный импульс одного из самых эффективных современных ракетных двигателей Raptor компании SpaceX составляет около 350 секунд. Разработчики проекта NERVA и других ядерных установок заявляли о достижении удельного импульса более чем в 10 тыс. секунд.

В своей концепции Госсе планирует решить проблему отвода тепла установки NERVA, а также обеспечить удельный импульс в 1400—2000 секунд благодаря бимодальной тепловой и электрической ядерной конструкции NTP/NEP.

Пока главным новшеством американского инженера является предложение использовать волновой ротор, который должен значительно повысить эффективность сгорания топлива в результате сжатия всасываемого воздуха.

«В сочетании с циклом NEP рабочий цикл Isp может быть дополнительно увеличен до 1800−4000 секунд с минимальным добавлением сухой массы», 一 объяснил автор концепции.

Использование такого двигателя должно сократить длительность пилотируемых миссий на Марс с нескольких лет до нескольких месяцев. Такой прорыв может решить ключевые проблемы отправки людей на соседнюю планету, включая радиационное облучение, длительное влияние микрогравитации на организм и т. д.

Кроме этого, эффективная силовая установка для ракеты-носителя на основе ядерного реактора также сможет обеспечить энергией длительные наземные миссии, в рамках которых нельзя будет использовать солнечную или ветровую энергию.

Ядерный Orion

Нет, речь идет не новом космическом корабле, на котором NASA планирует колонизировать Луну.

В 1955 году американские ученые представитили крайне необычный проект «взрыволета» Orion. Это был перспективный ядерно-импульсный космический корабль для исследования межпланетного и межзвездного пространства.

Инициатор проекта 一 американский физик-теоретик и один из основателей квантовой электродинамики Фримен Дайсон 一 предложил буквально выбрасывать вслед за космическим кораблем небольшие ядерные заряды, которые разгоняют его с помощью взрывной волны.

Предполагалась контролируемая детонация 140-килограммовых атомных бомб мощностью около 0,15 килотонн на расстоянии 20−30 метров от защитного экрана корабля. Таким способом Orion должен был ускориться до 40 тыс. км/час примерно за 10 минут.

В хвосте корабля предусмотрена огромная плита-толкач (pusher), которая, в зависимости от конфигурации, могла весить от 500 до 1000 тонн, а ее диаметр составлял от 10 до 20 метров. Авторы проекта подсчитали, что такой носитель сможет выводить до 1600 тонн полезного груза на низкую околоземную орбиту.

Но главная его задача 一 межпланетные и межзвездные путешествия. Для этого в отдельных модулях проектировали спальные каюты, гардеробные, раздельные душевые для мужчин и женщин, а также парикмахерский стул.

Благодаря дешевому и эффективному графитовому топлива создатели Orion заявляли о возможности достичь орбиты Сатурна за несколько лет. Однако, после запуска советского Спутник-1 в 1957-м и выхода первого человека в космос в 1962-м, правительство США сконцентрировалось на более практичных целях.

Использование «взрыволета» также могло навредить планете и людям: суммарные взрывы в атмосфере общей мощностью около 10 килотонн могли значительно увеличить радиоактивное загрязнение. Хотя проект не дожил даже до стадии тестовых испытаний.

Одна из главных причин 一 ограничения испытаний ядерного оружия, о которых договорились США и СССР.