Январь 2023 года. Ядерный двигатель в заголовках СМИ — DARPA (известно танцующими робособаками) и NASA (известно как NASA) заявили о совместной работе над ним и намерены приступить к испытаниям в космосе через каких-то пять лет. (Haha, fat chance). Но эта история началась гораздо раньше. И порой кажется, что это буквально та же самая история. Посмотрите:
1961 — NASA рвётся на Луну и проектирует сверхтяжелую лунную ракету Saturn V;
1969 — NASA завершает разработку ядерного ракетного двигателя NERVA; в 1978 году планируется использовать его в марсианской миссии;
конец 1972 — ночной старт Saturn V к Луне;
…
2011 — NASA рвётся на Луну и проектирует сверхтяжелую лунную ракету SLS;
2019 — DARPA анонсирует ядерный ракетный двигатель ROAR (впоследствии DRACO); в 2027 году планируются первые испытания в космосе;
конец 2022 — ночной старт SLS к Луне;
Уважаемый академик Фоменко, как вы думаете — это действительно разные события?
…
1962 г. — солнечное затмение в Австралии, наблюдалось утром
2012 г. — солнечное затмение в Австралии, наблюдалось утром
всё очень серьёзно
как выбраться из временной петли
…
и мы ещё жалуемся, что в один и тот же сценарий отношений влипаем раз за разом…
* * *
Про что эта история? Сочетание слов «ядерный» и «космос» звучит очень привлекательно — это, возможно, два самых жутковато-манящих слова, доставшихся нам от двадцатого века — но что NERVA/DRACO собой представляют?
Ядерный реактор. То есть высокотехнологичный нагревательный элемент. Опять кипятильник. Предлагается построить, по сути, паровой реактивный автомобиль Ньютона (1680 г.), использующий ядерную энергию вместо печи с углём. Конструктивно это почти обычный ЖРД, только высокая температура летящего из сопла газа обеспечивается не горением топлива, а пропусканием его через реактор, занимающий место камеры сгорания.
Сможет ли он обеспечить существенно более высокую температуру газа? Нет, потому что она ограничена скорее возможностями охлаждения сопла и конструкции двигателя в целом, чем недостатком химической энергии.
Сможет ли он обеспечить существенно бóльшую удельную и/или абсолютную мощность? Нет, она тоже упирается в проблему охлаждения.
Избавит ли он от необходимости тащить с собой тяжелый бак с топливом? Нет, только теперь это будет не «топливо», а «рабочее тело». Мало иметь энергию, надо ещё тратить её на отбрасывание чего-то.
Неспециалист начинает недоуменно скучать. В чём смысл?
Смысл только и исключительно в том, что из сопла такого двигателя может течь водород. H₂. Самое лёгкое вещество, с молярной массой 2 г/моль.
Если рабочим телом сделать воду — смысла не будет никакого. Ядерный тепловой реактивный двигатель вчистую проиграет классическому ЖРД, который ту же воду получает сразу нагретой при сгорании водорода. Но вода тяжелая. Не в смысле «тяжелая из-за дейтерия», а в смысле «тяжелая из-за кислорода». Оксид не может быть легче окислителя, на роль окислителя не годится ничего легче ¹⁶O. А чем тяжелее продукты сгорания — тем меньше их тепловая скорость.
ЯРД не вкладывает в водород больше энергии, чем выделяется при окислении того водорода. Вся штука в том, что водороду можно не окисляться и оставаться лёгким, и при равной температуре выхлопа ЯРД может примерно втрое обойти ЖРД по скорости его истечения. На практике получается скорее «вдвое», потому что той равной температуры ещё попробуй добейся. Лучшие водород-кислородные двигатели обеспечивают удельный импульс ~450 с, из ЯРД удаётся выжать 850-900 с.
Неспециалисту резко перестаёт казаться столь уж хорошей идея запускать в космос ядерный реактор ради увеличения какого-то параметра всего в два раза. И он, в сущности, прав.
Но этот параметр стоит в показателе экспоненты. Он даёт шанс сократить массу топлива раз в пять. Или в пять раз увеличить полезную нагрузку. Или получить в два раза больше скорости, что по законам небесной механики может означать сокращение времени перелета гораздо больше, чем в два раза. (Без всяких релятивистских эффектов).
Если вам позарез (как вам кажется) надо на Марс, а в доме нет ничего грузоподъёмнее Saturn V — вы начинаете конструировать NERVA.