Ядерные тепловые ракеты

Мы снова строим ядерные космические корабли - на этот раз по-настоящему.

Военные и NASA, похоже, серьезно настроены создать демонстрационное оборудование.

22.07.2024, Яцек Кривко, arstechnica.com

Phoebus 2A, самый мощный космический ядерный реактор из когда-либо созданных, был запущен на испытательном полигоне в Неваде 26 июня 1968 года. Испытание длилось 750 секунд и подтвердило, что он может доставить первых людей на Марс. Но Phoebus 2A никого не доставил на Марс. Он был слишком большим, стоил слишком дорого и не соответствовал идее Никсона о том, что нам некуда лететь дальше низкой околоземной орбиты.

Но не NASA  впервые предложило  создать ракеты с ядерными двигателями. Это были военные, которые хотели использовать их для межконтинентальных баллистических ракет. И теперь военные снова хотят их получить.

МБР с ядерной силовой установкой

Работа над ядерными тепловыми ракетами (nuclear thermal rocket - NTR) началась с программы Rover, инициированной ВВС США в середине 1950-х годов. Концепция была проста на бумаге. Возьмите баки с жидким водородом и используйте турбонасосы для подачи этого водорода через активную зону ядерного реактора, чтобы нагреть его до очень высоких температур и вытолкнуть его через сопло для создания тяги. Вместо того, чтобы заставлять газ нагреваться и расширяться путем сжигания его в камере сгорания, газ нагревался путем контакта с ядерным реактором.

Ключевым преимуществом была топливная эффективность. «Удельный импульс», параметр, который является чем-то вроде расхода топлива ракетой, можно было рассчитать из квадратного корня температуры выхлопных газов, деленной на молекулярную массу топлива. Это означало, что наиболее эффективным топливом для ракет был водород, поскольку он имел самую низкую молекулярную массу.

В химических ракетах водород приходилось смешивать с окислителем, что увеличивало общую молекулярную массу топлива, но это было необходимо для сгорания. Ядерным ракетам не требуется горение, и они могут работать на чистом водороде, что делает их как минимум вдвое эффективнее. ВВС хотели эффективно доставлять ядерные боеголовки к целям по всему миру.

Проблема заключалась в том, что запустить стационарные реакторы на Земле - это одно, а заставить их летать - совсем другое.

Проблемы космического реактора

Топливные стержни, изготовленные из оксида урана-235, распределенного в металлической или керамической матрице, составляют ядро ​​стандартного реактора деления. Деление происходит, когда медленно движущийся нейтрон поглощается ядром урана-235 и расщепляет его на два более легких ядра, высвобождая огромное количество энергии и избыточных, очень быстрых нейтронов. Эти избыточные нейтроны обычно не вызывают дальнейших делений, поскольку они движутся слишком быстро, чтобы быть поглощенными другими ядрами урана.

Запуск цепной реакции, которая поддерживает работу реактора, зависит от их замедления замедлителем, например водой, который снизит их скорость. Эта реакция поддерживается на умеренном уровне с помощью стержней управления, изготовленных из поглощающих нейтроны материалов, обычно бора или кадмия, которые ограничивают количество нейтронов, которые могут вызвать деление. Реакторы увеличивают или уменьшают мощность путем перемещения стержней управления в активную зону и из нее.

Перевод всего этого на летающий реактор - сложная задача. Первая проблема - топливо. Чем горячее вы делаете выхлопной газ, тем больше увеличивается удельный импульс, поэтому NTR требовалось, чтобы ядро ​​работало при температурах, достигающих 3000 К - почти на 1800 К выше, чем у наземных реакторов. Изготовление топливных стержней, которые могли бы выдерживать такие температуры, оказалось чрезвычайно сложным.

Следующая проблема - сам водород, который при таких температурах чрезвычайно едкий, особенно при взаимодействии с теми немногими материалами, которые стабильны при температуре 3000 К. Наконец, пришлось отказаться и от стандартных стержней управления, поскольку на Земле их сбрасывали в ядро ​​под действием гравитации, а в полете это не сработало бы.

Научная лаборатория Лос-Аламоса предложила несколько перспективных проектов NTR, которые решали все эти проблемы в 1955 и 1956 годах, но программа действительно набрала обороты после того, как была передана в NASA и Комиссию по атомной энергии (Atomic Energy Commission - AEC) в 1958 году. Там идея была переименована в NERVA, Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications - ядерный двигатель для ракетных транспортных средств. NASA и AEC, наделенные почти неограниченным бюджетом, занялись строительством космических реакторов - причем в большом количестве.

Киви пытается летать

Первый из этих реакторов назывался Kiwi-A. Испытание, проведенное 1 июля 1959 года, доказало, что концепция работает, но дьявол таился в деталях. Вибрации, вызванные потоком водорода, повредили реактор всего через пять минут работы при относительно скромной мощности 70 мегаватт. Температура достигла 2683 К, что вызвало водородную коррозию стержней и выброс частей активной зоны через сопло, проблему, известную как «осыпание».

С другой стороны, вращающиеся барабаны, размещенные вокруг активной зоны, которые заменили стандартные стержни управления, работали хорошо. Это были длинные трубки, изготовленные из поглощающего нейтроны материала, одна сторона которого была покрыта покрытием, отражающим нейтроны обратно в активную зону.

Мощность реактора увеличивали, поворачивая барабаны так, чтобы они были обращены к активной зоне отражающей стороной, и уменьшали, поворачивая поглощающую нейтроны сторону к активной зоне.

За 18 лет NASA, AEC и промышленные подрядчики, такие как Aerojet Corporation, построили и испытали в общей сложности 23 реактора. «Последним двигателем в программе Rover/NERVA был XE Prime. Они испытали его в вакуумной среде и довели до TRL 6», - сказала доктор Табита Додсон, менеджер программы в офисе тактических технологий DARPA. TRL 6 означает «уровень технической готовности 6» — достижение 7 означало бы запуск демонстрационного двигателя в космосе.

Однако это не означало отсутствие проблем. Проблемы с осыпанием и растрескиванием топлива сохранялись во всех двигателях NERVA в разной степени. Но в конечном итоге NERVA в 1973 году погубил сдвиг целей NASA от дальнего космоса к низкой околоземной орбите. А NERVA для этого не был нужен.

Ядерный Марс Экспресс

Прошло более 40 лет, прежде чем NASA вновь заговорило о ядерных двигателях, сначала в недолговечном проекте Jupiter Icy Moon Orbiter, а затем в эталонной архитектуре для исследования Марса человеком. Обеспечение миссий на Марс компактным реактором могло бы сократить время достижения Марса более чем вдвое, до трех-четырех месяцев по сравнению с шестью-девятью месяцами, прогнозируемыми для химических ракетных двигателей. Меньшее время в космосе означает меньшее воздействие радиации на астронавтов и меньшее количество припасов для путешествия.

Итак, в 2017 году NASA начала небольшую исследовательскую программу NTR. Бюджет составлял всего лишь чуть больше  18 миллионов долларов, но это было хоть что-то. Два года спустя Конгресс принял законопроект об ассигнованиях, который предоставил 125 миллионов долларов на разработку NTR. Дела продвигались, но в основном это были бумажные исследования, за которыми следовали еще более бумажные исследования, за которыми следовали еще более бумажные исследования.

А затем 17 июня 2020 года DARPA «вошло в чат» и заявило: «Мы хотим ядерную ракету». Не просто еще одно бумажное исследование, а демонстрационный образец.

В погоне за Спутником 2.0

На сайте DARPA говорится, что агентство всегда придерживалось единственной миссии - инвестирование в прорывные технологии для национальной безопасности. Какое отношение имеет атомный космический корабль к национальной безопасности? На точку зрения военных намекнул генерал Джеймс Дикинсон, офицер Космического командования США, в своих показаниях перед Конгрессом в апреле 2021 года.

Он сказал, что «Пекин стремится к превосходству в космосе с помощью систем космического нападения» и упомянул разведданные, собранные о Shijian-17, китайском спутнике, оснащенном роботизированной рукой, которую можно использовать для «захвата других спутников». Это может показаться нелепым преувеличением, но этого было достаточно, чтобы получить добро на ядерный космический корабль.

И очевидная обеспокоенность по поводу гипотетических угроз продолжается. Целью проекта Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO), заявленной в его экологической оценке, было «предоставление космических активов для сдерживания стратегических атак противников». Опасения Дикинсона по поводу Китая также были там процитированы.

«Допустим, у вас есть срочная миссия, где вам нужно быстро добраться из точки А в точку Б в окололунном пространстве или вам нужно следить за другой страной, которая что-то делает вблизи или вокруг Луны, и вам нужно действовать очень быстро. С такой платформой, как DRACO, вы сможете это сделать», - сказала Додсон из DARPA.

Через два года после вмешательства DARPA этап предварительного проектирования был завершен, и Lockheed выиграла контракт на полмиллиарда долларов на создание DRACO. Но DARPA была не единственной, кто платил. NASA также внесла свою лепту. Два агентства сделали DRACO совместным проектом и разделили расходы 50 на 50.

NERVA следующего поколения

Однако строительство DRACO столкнет нас с еще одной проблемой: его эксплуатацией. «Существует ряд нормативных и технических проблем», - сказал Кирк Ширеман, вице-президент Lockheed Martin Space, курирующий проект DRACO. Для начала, запуск ядерных двигателей на открытом воздухе где-нибудь в пустыне Невада будет исключен. Строительство объектов, соответствующих всем правилам, заняло бы годы.

Затем было топливо. Реакторы NERVA работали на высокообогащенном уране, который использовался для создания ядерного оружия. Если бы что-то пошло не так при запуске, примерно 700 килограммов оружейного урана внезапно упали бы с неба. А для изготовления бомбы нужно всего около 25 килограммов.

Вот почему DRACO будет использовать новое топливо под названием разбавленный высокообогащенный уран (HALEU - high-assay-low-enriched uranium) - расщепляющийся материал, полученный путем смешивания высокообогащенного урана с низкообогащенным до уровня ниже 20 процентов обогащения. «Вы можете смягчить некоторые требования безопасности, перейдя на HALEU», - сказал Джо Миллер, вице-президент BWXT Technologies, компании, специализирующейся на военно-морских реакторах, которую Lockheed Martin выбрала для строительства реактора для DRACO. И хотя создание бомбы с HALEU все еще возможно при определенных обстоятельствах, это намного сложнее, чем с высокообогащенным ураном, который был обязательным во всех реакторах NERVA.

После того, как проблема с топливом была решена, BWXT приступила к проектированию самого реактора. «Использование HALEU управляет внутренней геометрией реактора», - говорит Миллер. Чтобы не изобретать велосипед, команда Миллера начала с изучения огромных кип отчетов по программе NERVA. Но по сравнению с проектами NERVA, его команда использовала другие каналы для направления водорода через активную зону реактора и системы терморегулирования, которые передают тепло водороду.

Brown bag sessions

«Наш главный инженер был немного историком и библиотекарем, поэтому он выкапывал все эти отчеты, сканировал их и интегрировал в наши обзоры дизайна. Множество черно-белых фотографий. Множество старых графиков с испытаний. Мы извлекли из этого уроки. Это было чрезвычайно актуально», - сказал Миллер.

Одной из ключевых вещей, которые BWXT обнаружил в отчетах NERVA, были данные о растрескивании реакторного топлива под воздействием водорода. «Мы передали [отчеты] нашим молодым ученым-материаловедам, и они смогли использовать их в качестве трамплина для ранних проектных решений, которые они принимали», — сказал Миллер. Результатом, по его словам, стало покрытие, которое могло выдерживать температуры реактора без растрескивания. «Мы создали собственную внутреннюю формулу ядерного топлива, о которой я не могу говорить публично», - сказал он.

Построить космический реактор непросто, но, по крайней мере, это уже было сделано ранее.  Что еще не было сделано, так это создание космического корабля на его основе.

Первый ядерный космический корабль

DRACO будет космическим аппаратом среднего размера, длиной менее 15 метров и диаметром менее 5,4 метра — размеры продиктованы размером стандартного обтекателя полезной нагрузки ракеты Vulcan Centaur, на которой он, вероятно, будет запущен. «Мы знакомы с жидким водородом, проектированием систем космических аппаратов и интеграцией. У нас есть необходимые навыки и нужные люди, чтобы построить эту штуку», - сказал Ширеман.

DRACO будет работать как ракеты типа NERVA, с водородными баками, расположенными в головной части двигательного отсека, турбомашины будут подавать этот водород через ядро ​​(установленное прямо за ними), но отделенное от ядра радиационным экраном. Реактор HALEU будет окружен барабанами управления и расположен перед выхлопным соплом. Согласно требованиям DARPA, DRACO будет иметь не менее 700 секунд удельного импульса, что на 300 секунд лучше, чем у RL-10, самого эффективного химического космического двигателя из имеющихся у нас.

«Главная техническая проблема здесь - работа с жидким водородом, хранящимся при температуре 20 К - очень, очень холодными и действительно скользкими молекулами, которые любят выскальзывать из того места, куда вы их поместите», - сказал Ширеман. Для DRACO Lockheed выбрала пассивное водородное охлаждение. Баки будут термически изолированы, чтобы Солнце не нагревало их. Таким образом, водород должен оставаться при температуре 20 К достаточно долго, чтобы завершить все испытания. Для более длительных миссий ядерным космическим кораблям придется полагаться на активное охлаждение.

Тест-драйв DRACO

Поскольку на борту имеется ядерный реактор, компании Lockheed и BWXT позаботились о том, чтобы риски любой потенциальной катастрофической аварии были сведены к абсолютному минимуму, и для каждого сценария был разработан план действий в чрезвычайных ситуациях.

А что, если стартовая платформа выйдет из строя и DRACO упадет где-нибудь около стартовой площадки во Флориде? Это не будет большей проблемой, чем авария обычного двигателя, поскольку реактор будет активирован только его управляющими барабанами после выхода на безопасную орбиту не менее чем в 700 километрах от Земли.

Падение в океан? Это немного сложнее, потому что вода является замедлителем и запустит цепную реакцию деления, по сути, включив реактор независимо от того, что делают барабаны управления. Но DRACO разработан, чтобы предотвратить и это. В таком случае нейтронный яд, материал, который поглощает нейтроны и немедленно останавливает реакцию, будет развернут прямо в активной зоне.

Фактический тест-драйв начнется, когда DRACO достигнет целевой орбиты. «Сначала мы проведем ряд проверок, убедимся, что все датчики и приводы работают. Затем, медленно, мы начнем включать реактор», - сказала Додсон. Это будет моментом истины для DRACO, поскольку программа не включает никаких наземных испытаний с работающим реактором.

«Поскольку в топливе DRACO используется уран с меньшим обогащением, чем в NERVA, нам нужно использовать больше замедлителя. Кроме того, мы ожидаем явление, которое мы называем отрицательной обратной связью по температуре, когда реактор снижает мощность при нагреве. Это один из интересных неизвестных параметров в этом проекте, и мы надеемся собрать больше данных о том, как это работает», - утверждает Додсон.

«Это как новый высокопроизводительный автомобиль. Вы не гоняете на полной скорости с самого начала. Мы собираемся постепенно повышать производительность и, наконец, если у нас появится возможность показать что-то значимое, возможно, мы перейдем на полную мощность», - сказал доктор Энтони Каломино, менеджер портфеля космических ядерных технологий NASA. Это «что-то значимое» - удельный импульс, достаточно высокий, чтобы доставить людей на Марс. Но это еще не все.

Ленивые реки

Проблема с достижением таких мест назначения, как Луна или Марс, заключается в том, что мы не можем добраться туда по прямой. Вы не можете просто направить свою обычную ракету на Луну и выстрелить, как Жюль Верн, ожидая, что она туда долетит. «Такие ракеты не могут двигаться полностью сами по себе. Они используют сложные фрактальные орбиты, которые огибают точки Лагранжа - «плывут» по гравитационным вихревым течениям в окололунном пространстве - «ленивым рекам», как я люблю их называть», - сказала Додсон.

Представьте, что вы садитесь на крошечную лодку в Ливерпуле, имея ровно столько топлива, чтобы достичь ближайшего океанского течения, потому что вы рассчитали, что это течение в конечном итоге вынесет вас в Нью-Йорк. Именно так мы сегодня перемещаемся в космосе. DRACO призван стать первым шагом к достижению ядерных космических крейсеров.

«Существуют и гражданские применения, - сказал Каломино. - Речь идет о доставке полезных грузов с Земли на низкие орбиты, где космический буксир может подобрать их и переправить на Луну, туда и обратно». Такие ядерные космические буксиры, предположил он, станут основой новой окололунной транспортной системы.

И, возможно, самое лучшее в этих космических буксирах то, что реакторы могут работать годами. «Мы знаем, что на поверхности Луны есть вода. Вы можете переработать эту воду, чтобы получить водород и использовать его для заправки вашего корабля так же, как вы заправляете автомобиль. Сам реактор будет работать очень долго», - сказал Каломино.

Если не считать дозаправку, у автомобилей и ядерных космических кораблей есть еще одна общая черта: мы можем их заряжать.

Ядерный космический корабль с суперзаряженным двигателем

«Моя подготовка связана с гиперзвуковой гидродинамикой, в основном с аппаратами, возвращающимися в атмосферу. Я присутствовал на лекциях NASA о проблемах с полетом на Марс, которые даже NTR не могли решить», - сказал Райан Госс, профессор практики в инженерном колледже Герберта Вертхайма при Университете Флориды. Госс и его команда решили, что они могут решить некоторые из этих проблем, оснастив NTR нагнетателями.

Идея Госса основывалась на использовании волнового ротора. «В автомобилях это называется компрессором или нагнетателем», - пояснил Госс. В его концепции NTR волновой ротор устанавливается между выходом активной зоны реактора и выхлопным соплом для дальнейшего повышения температуры выхлопных газов.

«Ограничивающим фактором для NTR является температура активной зоны реактора. Сегодня она составляет примерно 3000 К, что дает вам около 900 секунд удельного импульса», - сказал Госс. Волновой ротор, по его расчетам, должен увеличить это время до 1400 секунд - вдвое больше, чем DRACO. Госс и его команда предложили эту концепцию NIAC, программе NASA, финансирующей инновационные идеи на ранней стадии, и в 2023 году получили финансирование для проведения детальной оценки осуществимости.

Но волновой ротор - не единственная уникальная вещь в космическом корабле Госса. Настоящее волшебство начинается, когда двигатель NTR завершает работу. Корабль развернется, полетев соплом вперед. Затем он переключит реактор в режим электростанции, перенаправив свой нагретый водород от сопла в замкнутый контур с турбинами, вырабатывающими электроэнергию, и будет использовать электричество для питания особой формы ионного двигателя, который прикреплен на противоположном конце космического корабля. Они увеличат удельный импульс с 1400 до более чем 10 000 секунд.

Становлюсь большим и сохраняю хладнокровие

Впервые бимодальная двигательная система, подобная этой, была упомянута ближе к концу программы NERVA. Однако были две проблемы.

Во-первых, электрические двигатели всегда использовались для управления небольшими беспилотными космическими аппаратами. Масштабирование их для размещения тысяч мегаватт, вырабатываемых ядерными реакторами, потребовало бы огромных космических кораблей. «Современные электрические двигатели могут достигать мощности около 100 киловатт. Если вы попытаетесь использовать их в нашем космическом аппарате, вам понадобится их так много, что это будет непрактично. Это не тривиальная проблема, вроде «ну, просто возьмите тысячу 100-киловаттных двигателей и все, - сказал Госс. - Поэтому мы рассматриваем магнитоплазмодинамические (MPD) двигатели, которые имеют гораздо более высокую плотность энергии и, как было продемонстрировано, работают на мощности до мегаватта».

Вторая проблема - охлаждение. У NTR нет проблем с отходящим теплом, поскольку водород работает как охладитель для реактора, а затем выбрасывается из корабля. В режиме ядерного электрического движения (NEP - nuclear electric propulsion) охладитель течет по замкнутому контуру, что означает, что тепло накапливается в космическом корабле. Вот почему все конструкции NEP имеют огромные радиаторы. В эталонной химической архитектуре NEP от NASA один радиатор должен был быть площадью более 2000 квадратных метров. Бимодальный волновой роторный корабль Госса нуждался бы в радиаторе в пять раз больше.

Но это было бы очень быстро. «Эталонный космический аппарат NTP должен добраться до Марса за 297 дней и весить более 600 тонн. Химическому/NEP проекту потребуется 382 дня при весе 418 тонн», - сказал Госс. Его концепция бимодального волнового ротора достаточно быстра для запуска, когда Марс и Земля находятся ближе друг к другу, и Марс достигается всего за 45 дней с массой 530 тонн.

«Летя немного медленнее, совершая 65-дневное путешествие, мы можем опуститься до 273 тонн», - сказал Госс.

Шаги малыша

Но эта идея не будет проверена на DRACO. «Стратегия ползать-ходить-бежать - это то, что мы действительно хотим реализовать здесь, - сказал Каломино. - Главное - запустить двигатель NTP, обрести уверенность, понять реактор, добиться устойчивости этого реактора, так что давайте сосредоточимся на этом. Давайте сделаем это».

Как только мы узнаем, что это работает, будет время оценить, имеет ли смысл добавлять сложность двигателей MPD. Когда вы делаете и электрическую, и тепловую ядерную тягу, у вас есть две системы с разными требованиями, даже если они питаются от одного и того же реактора. Затем вам нужно сложить массу обеих и сопоставить это с использованием только одной системы и подачей ей большего количества топлива. Добавление сложности также увеличивает риск.

Некоторые сотрудники Министерства обороны считают, что многое зависит от успешной демонстрации простой системы. «Подумайте о ВМС. Лучший способ передвигаться с тяжелой полезной нагрузкой по океанам - использовать огромные линкоры с большими двигателями. Ядерная тяга - лучший вариант. То же самое касается и космоса. Сейчас у Министерства обороны нет таких возможностей, - сказала Додсон. - Но как только они у нас появятся, наши корабли смогут перемещаться по космосу так же, как они перемещаются по океанам».

Если оставить в стороне проблемы, связанные с этим утверждением (у ВМФ никогда не было атомных линкоров, а перемещение в космосе совсем не похоже на перемещение по океану), то вопрос заключается в том, нужны ли нам вообще атомные космические линкоры.

Основная причина, по которой мы сегодня не запускаем NTR, заключается в том, что они никогда не были технологией, способствующей чему-либо, что мы пытались сделать. Каждый раз, когда их сторонники говорили, что что-то невозможно сделать без ядерных ракет, они оказывались неправы. Ядерные боеголовки? С помощью химических ракет. Посадка на Луну? С помощью химических ракет. Охота на китайские спутники-перехватчики? В 2021 году Россия уничтожила спутник с помощью ракеты с химическим двигателем, запущенной с Земли.

Гигантские космические буксиры, курсирующие между Землей, Луной и Марсом? Наша потребность в них остается открытым вопросом. Вопрос о том, понадобятся ли нам когда-нибудь ядерные космические линкоры, чтобы обеспечить их безопасность, еще более отдален. Но некоторые из вовлеченных людей определенно думают о долгосрочной перспективе.

«У DRACO действительно большой потенциал для будущего, для всего мира. Это действительно может что-то открыть. Это начало пути, который, возможно, завершат ваши внуки. Мы надеемся войти в историю», - сказал Ширеман.

Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti)

Оригинал: We’re building nuclear spaceships again - this time for real