Мечты об освоении Вселенной не перестают волновать человечество. В фильмах, сериалах и книгах люди расселяются по различным звездным системам и легко преодолевают огромные пространства. Большинство авторов, однако, обходят вопрос о том, каким образом движутся эти корабли, в лучшем случае ограничиваются многозначительным «гиперпространственным приводом» для дальних перелетов и чем-нибудь вроде «планетарного двигателя» для взлетов, посадок и припланетного каботажа. Но даже из этих скупых описаний становится понятно, что привычные нам жидкостные реактивные ракеты в будущем применяться не будут. Например, самый мощный российский двигатель РД-170 за секунду работы расходует 2,5 тонны керосина и жидкого кислорода! За несколько минут работы четыре таких двигателя в составе первой ракеты-носителя «Энергия» расходуют 1200 тонн топлива. Сколько же пришлось бы возить с собой топлива какому-нибудь «Энтерпрайзу» из сериала «Звездный путь» для дальних рейсов! Он должен бы представлять собой один огромный топливный бак.
Фантасты, впрочем, сами и предлагают решения. Звездолет прямого луча в «Часе Быка» Ивана Ефремова или варп-двигатели в более поздних произведениях обеспечивают превышение скорости света на несколько порядков за счет искривления пространства, благодаря чему и получили общее название «варп-привод» (по-английски «warp» означает искривление).
Фантастика и реальность
В советской дилогии «Москва—Кассиопея» и «Отроки во Вселенной» герои путешествовали с Земли к Альфе Кассиопеи на корабле ЗАРЯ, название которого представляет собой аббревиатуру слов «Звездолет Аннигиляционный Релятивистский Ядерный». С аннигиляцией авторы фильма несколько поспешили: для ее реализации необходимо антивещество, которое мы пока не умеем хранить хоть сколько-нибудь значимое время. Кстати, оно же служит основой и варп-привода «Энтерпрайза». Зато слово «ядерный» в названии «ЗАРЯ» оказалось пророческим — такие двигательные системы разрабатываются уже сейчас. Впрочем, в 1973 году, когда Ричард Викторов снимал свою фантастическую дилогию, в СССР уже приближалась к финалу разработка ядерного реактивного двигателя. Но широкой публике это, конечно, не было известно.
Принцип работы ядерного ракетного двигателя основан на той же идее, что и обычный, но реактивная струя здесь получается не при сгорании топлива, а из превращающейся в пар жидкости — обычно это сжиженный водород, который нагревается энергией ядерного реактора. Начало разработкам такого двигателя в СССР было положено в 1947 году Виталием Иевлевым, в то время студентом МАИ, который позже принял участие в создании жидкостных ракетных двигателей. Идею поддержали Мстислав Келдыш, Сергей Королев и Игорь Курчатов. Практические работы начались в 1955 году, и в 1978 году первый реактор двигательной установки был запущен.
Аналогичными разработками занимались и в другой сверхдержаве — США. Здесь программа по созданию ядерного ракетного двигателя NERVA стартовала в 1952-м и завершилась в 1972 году. Несмотря на то что руководство американского космического агентства NASA считало, что двигатель полностью готов к установке на корабли, администрация президента Ричарда Никсона решила сократить финансирование космических программ и в итоге этот проект не был доведен до стадии практического использования.
Рассматривалась и другая схема использования атомной энергии. В импульсном ядерном двигателе тягу создает сила взрывов атомных зарядов с частотой около одного раза в секунду. Ударная волна приходит на металлический диск отражателя и создает реактивную силу. Однако такой тип двигателя нежелательно применять на Земле из экологических соображений: даже маломощные ядерные взрывы остаются взрывами, создают радиацию, поэтому такой тип привода может стать актуальным лишь в будущем, когда появится потребность в относительно дальних космических полетах.
Инертный газ вместо топлива
Сегодня развитие ядерных двигательных установок продолжается на новом витке. В разрабатываемой сейчас ядерной энергодвигательной установке рабочим телом становится ионизированный инертный газ. Его частицы ускоряются в электростатическом поле, которое образуется с помощью ядерного реактора, и создают реактивную тягу.
Разработка такой ядерной энергодвигательной установки началась в России в 2009 году, когда комиссия по модернизации и технологическому развитию экономики России при Президенте РФ приняла решение о реализации проекта создания транспортно-энергетического модуля на основе ЯЭДУ. Пока задачей такого модуля может быть доставка грузов, выведенных на низкую околоземную орбиту (160–2000 км) обычными ракетами, и буксировка их на более высокие орбиты, в том числе геосинхронную, где спутник находится над одной и той же точкой поверхности планеты — на высоте 35 784 метра от уровня моря. Но в перспективе задачей таких транспортных модулей должна стать буксировка грузов и пассажиров к другим планетам.
Реализацией проекта занимается группа предприятий сразу двух ведомств — «Роскосмоса» и «Росатома», со многими предприятиями которых сотрудничает банк ВТБ. Конструкцию реакторной установки мощностью в один мегаватт разрабатывает Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники (НИКИЭТ) им. Н.А. Доллежаля, входящий в госкорпорацию «Росатом». При создании установки пришлось решать много сложнейших проблем, и в итоге в конструкции применяются принципиально новые технологии. Таким образом, этот «буксир» не только будет сам перемещать грузы в космосе, но и еще до своего практического применения стимулирует развитие нескольких отраслей российских высокотехнологических отраслей.
Например, для подачи топлива в реактор созданы трубки из сплава на основе тугоплавкого молибдена. Для достижения максимально возможных характеристик они монокристаллические, то есть вся деталь является единой структурой, поэтому она стала намного прочнее, дольше служит и лучше переносит высокие температуры. А в ЯЭДУ они очень высокие, до 1500 °К. Для повышения эффективности должны использоваться соединения урана с более высоким содержанием изотопа 235. Увеличенное тепловыделение также потребовало разработки системы охлаждения. В отличие от земных АЭС, в космосе нельзя отводить тепло с помощью воды, поэтому в качестве холодильника используются огромные излучающие поверхности, а для отвода тепла — смесь гелия и ксенона. Площадь поверхностей для теплоотвода в несколько раз превышает габарит самой установки, поэтому общий размер корабля с ЯЭДУ более 70 метров. Так что художники-декораторы фантастических фильмов были совершенно правы, когда уже упомянутые ЗАРЯ или «Энтерпрайз» изображались с огромными двигательными установками и сравнительно небольшой обитаемой частью. Но в открытом космосе размеры уже не имеют критического значения.
Классические реактивные системы обеспечивают перелет за 500 дней, но обратная дорога будет невозможна. Поэтому перед организаторами полета на Марс встает проблема отбора добровольцев, готовых навсегда остаться на Красной планете. Конечно, они войдут в историю освоения космоса в числе первопроходцев, но не лучше ли обойтись без того, чтобы платить за это возможностью вернуться на Землю? ЯЭДУ позволит долететь с орбиты Земли до Марса примерно за полтора месяца, при этом запас энергии будет достаточным, чтобы обеспечить возвращение! Таким образом, реализация этого проекта сделает возможным регулярное сообщение между планетами.
Двойное назначение
Реактор может быть не только двигателем, но и источником энергии для спутников или космического корабля в дальнем полете — это также одна из проблем, которые сейчас сдерживают развитие космонавтики. При удалении от Солнца энергии от фотоэлементов уже недостаточно. Поэтому некоторые американские космические корабли в качестве источника электричества использовали топливные элементы, а не солнечные батареи, как советские «Союзы» или МКС. Сотрудничество «Роскосмоса» и «Росатома» помогает решить и эту проблему. Разрабатываемая ЯЭДУ рассчитана на работу в течение 10 лет, поэтому вполне способна обеспечить перелет к Марсу и обратно всего за полтора месяца вместо полутора лет! По планам, в 2018 году уже должен быть готов первый рабочий образец ЯЭДУ, и директор НИКИЭТ Юрий Драгунов уверен, что планы будут выполнены.
Похоже, оптимистичные фантасты шестидесятых годов, которые верили в мирный атом и движение человека в космос, не так уж и ошибались. Космическая индустрия, в последние десятилетия ставшая частью привычных бытовых удобств — систем позиционирования и связи, снова сможет расширить горизонты человечества. На этот раз в буквальном смысле.