В этой колонке мы опишем ядерную ракету на соленой воде (nuclear salt water rocket) - радикально новую концепция для создания тяги в открытом космосе. Это идея Роберта Зубрина (Robert M. Zubrin) из Мэртин Мэриэттэ (Martin Marietta Corp), автора, недавно опубликованной в "Аналоге" прекрасной статьи "Магнитный парус" ("The Magnetic Sail"). Магнитный парус был анонсирован на обложке как "избавляюще-новая концепция путешествия в космосе". Ядерная ракета на соленой воде еще одна такая избавляющая концепция.
Главная сложности с тягой в космосе в основном сводятся к энергии. Просто не существует достаточного количества энергии в лучших видах химического топлива, используемых NASA, чтобы создавать достаточно эффективную ракетную силу (или более точно создать удельный импульс, количество которого измеряется в секундах и равняется I_SP=v_ex/g. То есть, скорость истечения, деленная на ускорение свободного падения). Законы физики диктуют нам, что если удельный импульс низкий, количество топлива, использованное в секунду должно быть соответственно очень велико дабы обеспечить нужную тягу (направленную вверх) для разгона разумной массы полезного груза. Законы экономики диктуют, что очень большой и надежный двигатель, потребляющий очень большое количество топлива с низкой удельной энергоемкостью, чтобы произвести большую тягу, должен быть очень, очень дорогой. И, наконец, законы политики диктуют, что любой проект, который является очень, очень дорогим, будет скорей всего и продвинут политическим решением, чем оригинальная научная или техническая идея. В рамках этого возникают условия, прежде всего политически, потом инженерно, а уж потом научно, чтобы NASA и весь наш удручающий госаппарата Штатов неотвратимо имел ту космическую программу, которую имеет.
Зубрин предлагает вырваться из этого порочного круга, опираясь на ядерное пламя. Это не первая подобная идея. Так был проект "Орион" - попытка перековать мечи на орала в конце 1950-х. Он предлагал использовать для перемещения космического корабля серию ядерных зарядов, взорванных позади толстой стальной пластины, которые будет толкать судно вперед. "Орион" был признан юридически незаконным из-за договора о запрещении ядерных испытаний 1963-го года.
Имелись и более новые идеи высокоимпульсного космического привода. Так в моей колонке "Альтернативный взгляд" (Alternate View) я уже описывал "Подпитываемую лазером тягу" (Analog, Aug-'87). Это инновационная идея предлагала запускать полезную нагрузку высокоэнергетическим лучом лазера (от 10 МВт до 1ГВт), расположенным на земле. Луч создает последовательность плоских взрывов позади разгоняемого транспортного средства. Испарение тонкослойного "топливного блока" на задней стенке аппарата приводит к возникновению мощного плазменного взрыва, вызванного энергией лазерного импульса. Эта концепция все еще активно развивается лабораторией Лоуренса в Ливермоне но нет подходящего лазера для полноразмерных испытаний идеи. В свое время были так же предложены высокоэнергетические системы привода, которые бы использовали аннигиляцию антивещества или инерционный термоядерный синтез. Однако обе эти концепции требуют технологий, которые, по крайней мере, на два десятилетия опережают то, что мы имеем сейчас для воплощения в металл.


В отличии от них, ядерная ракета на соленой воде Зубрина или NSWR (nuclear salt water rocket), в свою очередь требует всего лишь незначительной экстраполяции уже существующих технологий в области ядерной энергетики и могла бы быть доведена до испытаний в виде опытного образца уже в очень короткий срок. Здесь, конечно, следует отметить воздействие таких испытаний на окружающую среду, что естественно же могло бы представлять проблему, но схема "шприца" Зубрина для высокорадиоактивных делящихся материалов может работать только в космосе. Поэтому идея применима только для глубоких космических миссий. Это в некотором смысле дополняет идею лазерной тяги, которая в свою очередь требует лазера, расположенного на Земле, и для которого разгоняемое транспортное средство всегда должно оставаться в переделах видимости.

В своей работе, где описывается концепция, Зубрин анализирует использование NSWR для двусторонней мисси к Титану (полет туда и обратно), к самой большой луне Сатурна. Топливом для NSWR должен служить обогащенный до 20% уран, химическая форма которого соль - тетра-бромид урана (uranium tetra-bromide) растворенная в обычной воде в той же самой атомной концентрации, что и соль в морской воде.

Делящийся изотоп в такой концентрации легко производит очень высокую температуру как результат деления или даже может вызвать ядерный взрыв. Сплошной объем этой жидкости, где сосредотачивается несколько десятков килограммов такой жидкости, достиг бы критической массы, что привело бы к самоподдерживающейся цепной реакции деления и взрыву. В схеме Зубрина 41 000 килограмм (41 тонна) топлива в виде водного раствора соли хранится в поглощающем нейтроны топливном баке. Топливный бак должен быть изготовлен из длинных труб карбоната бора (boron carbonate) - твердого конструкционного материала, который интенсивно поглощает тепловые нейтроны, что и предотвращает цепной процесс в такой массе топливе, иначе реакция там мгновенно запустилась. Жидкое топливо, из резервуара где он хранится, перекачивают в цилиндрическую реакторную камеру где потоку нейтронов может теперь беспрепятственно возрастать до критической точки цепной ядерной реакции деления.

В ядерной ракете такой системы выбор материала для камеры сгорания представляет серьезную проблему, потому что никакая мыслимая механическая структура не может выдержать энергию ядерного взрыва. Однако Зубрин предлагает очень хитрую уловку. Он использовал упрощенную модель и показал, что распределение запускающих реакцию тепловых нейтронов в камере сгорания критически зависит от скорости движения топлива по мере прохождения его через нее. Эта зависимость возникает потому что перемещающееся водно-соляное топлива является так же и средой в которой нейтроны замедляются. Если жидкость находится в покое, то максимальный поток возникает в центре цилиндра. Но если жидкое топливо под давлением движется, точка максимального потока смазывается по направлению течения. Кроме того, движение может приводить и к повышению нейтронного максимума. Если правильно выбрать скорость течения топлива, поток тепловых нейтронов (и поэтому узел максимума выхода энергии расщепления) может быть подобран так, что достигнет своего пика очень резко уже за срезом цилиндрической камеры реакции.

Другими словами можно производить непрерывный управляемый ядерный взрыв позади ядерной ракеты. В этой точке вода из топливной жидкости вспышкой превращается в очень высокотемпературную плазму, которая становится реактивной массой, истекающей, по оценке, со скоростью 66 000 м/с (сравните с 4 500 м/с для лучшей химической ракеты). NSWR рассчитан для создания тяги почти в 3 миллиона фунтов (1.3 Х 10⁷ Н) и имеет мощность в 427 ГВатт. В таком исполнении миссия на Титан могла бы быть запущена с низкой орбиты Земли, с ускорением почти 4g, и могла бы иметь достаточно низкую стартовую массу, быть дешевой и высокоэффективной.

Зубрин так же показывает, как NSWR может бы использована и для более честолюбивой 120-и летней односторонней миссии автоматического зонда к Альфа Центавра. Он предлагает 300 тонный космический корабль несущий 2700 тонн топлива в виде водного раствора соли урана, обогащенного до 90%. Это высокоэнергетическое горючее будет сгорать в двигателе с высокой эффективностью, что создаст скорость истечения ракетной массы в 4 700 000 м/с. Такая скорость истечения позволит развить кораблю скорость, которая составит 3,63% от скорости света. Зубрит предлагает использовать большую часть всего запасенного на борту топлива для ускорения, а потом применить магнитный парус (смотри майский "Аналог"-92) для торможения в результате движения того против межзвездной среды.

То, что Зубрин предлагает - технология высокоэнергетического космического привода, пригодного для глубоких космических и межзвездных миссий, которая могла бы быть осуществлена уже сейчас при достаточно скромном развитии современных технологий. Кроме того, окончание холодной войны оставило после себя значительное количество делящихся материалов (²³⁹Pu и высокообогащенный ²³⁵U) от демонтажа огромного количества ядерного оружия, что можно рассматривать как источник дешевого топлива для такого рода проектов. Зубрин указывает, что ни смотря на высокую радиоактивность истекающей из NSWR реактивной массы, сама конструкция двигателя не должен быть радиоактивной в сколько-нибудь значительной степени. Само топливо имеет только альфа-радиоактивность низкого уровня. Продукты деления уносятся в космос в виде плазмы, а наведенная радиоактивность от сильного потока нейтронов, возникших в результате сжигания топлива, может быть минимизирована использованием в конструкции двигателя таких низко-активируемых нейтронами материалов как графит и карбид кремния. Как только двигатель выключат, вокруг него не должно появится существенного радиоактивного фона, который мог бы подвергнуть опасности команду в случае пилотируемой миссии.

Высокая радиоактивность истекающей массы, конечно же, является главным недостатком NSWR-схемы. Перспектива загрязнения космоса его радиоактивными выхлопами обещает сильную оппозицию со стороны тех самых антиядерных групп защитников окружающей среды, которые противостояли даже использованию ядерных источников электропитания при глубоких миссиях NASA. Однако, оспаривая это, Зубрин, утверждает, что скорость истечения в 66 км/с намного больше, чем скорость покидания для любой планеты и, если вектор истекающей струи не направлен на Землю, то "количество радиоактивных продуктов, попадающих на Землю, могло бы быть незначительным" даже если NSWR запускается с низкой орбиты. Фактически, так как атомы выхлопных газов имеют значительную скорость, они не связаны с силой притяжения Солнца и выброшенные из сопла скоро покинут Солнечную систему вообще. Зубрин так же указывает что, так как NSWR не оружие, не использует принцип атомной бомбы, его испытание и использование не нарушает Договора о запрещении ядерных испытаний 1963-го года. Поэтому, в отличи от схемы "Орион", использование подобного космического привода юридически законно.

Здесь следует сказать, что, на пути реализации идее нас ждет некоторые технические трудности с обеспечением безопасности и надежности работы NSWR. Чрезвычайно высокая температура и скорость истечения создает специфическую проблему при конструировании сопла для NSWR, которое не должно разрушится в течение длительного периода работы. Зубрин предположил, что непрерывный поток обычной (не соленой) воды текущий по поверхности камеры сгорания и сопла, возможно и мог бы обеспечить охлаждение двигателя, а так же дополнительную реактивную массу, но эта идея остается неясной пока не будет продемонстрирована. Окончательный проект системы так же должен рассматривать возможные отказы, включая возможность отказа топливного насоса. Такой режим может привести к взрыву топлива в пределах камеры, а не позади нее. Все эти проблемы, скорее всего, разрешимы, но они должны быть названы.
В целом, NSWR кажется радикальным, но реальным способом осуществления межзвездной мисси на основе, по сути, уже существующих технологий. Беспилотный зонд к Альфа Центавра, типа того, что предложил Зубрин, был бы намного дешевле, чем все возрастающая стоимость шумного проекта NASA по строительству орбитальной станции "Фридом". Предполагаемый срок миссии в 120 лет - очень долгое время. Но чем скорее мы его запустим, тем скорее мы или наши потомки доберутся туда, чтобы с близкого расстояния взглянуть на ближайшие звездные системы.

References:

Nuclear Salt Water Rocket:
R. Zubrin, "Nuclear Salt Water Rockets: High Thrust at 10,000 sec ISP", Journal of the British Interplanetary Society 44, 371-376 (1991);

Magnetic Sail:
R. M. Zubrin and D. G. Andrews, "Magnetic Sails and Interplanetary Travel", AIAA 89-2441, AIAA/ASME 25th Joint Propulsion Conference, Monterey, CA, July 10-12, 1989;
Robert M Zubrin, "The Magnetic Sail", Analog, May, 1992.

Перевод А. Семенов, апрель 2009 г.
Первоисточник

__________________________________________________ [ вверх ] [ оглавление ]

Оптимизирован под Internet Explorer 1024X768
средний размер шрифта
Дизайн A Semenov