Полвека назад, еще до начала космической эры, ученые ведущих стран пришли к выводу об отсутствии серьезных перспектив у существующих типов ракетных двигателей. Удельная мощность жидкостных и твердотопливных двигателей достаточна для имеющихся целей, однако слишком мала для отдаленной перспективы. Выходом из сложившегося «тупика» стали ядерные ракетные двигатели (ЯРД). Однако, несмотря на множество исследований, обе концепции таких двигателей так и не дошли до практического применения. Все закончилось несколькими испытаниями.
Некоторое время назад появились новости о возобновлении работ в этом направлении, как в России, так и в Соединенных Штатах. В США этой программой занимаются одновременно ученые Университета Алабамы, NASA, Boeing, а также лаборатория Oak Ridge. Новый ракетный двигатель планируется делать по т.н. импульсной системе. Это значит, что во время работы из специального сопла будут выбрасываться небольшие порции радиоактивного вещества. После выброса порция урана, плутония или другого материала с подходящими свойствами взрывается и придает космическому кораблю импульс, ударяя в специальную плиту, окружающую выбрасывающее сопло. Поскольку при ядерном взрыве выделяется огромное количество энергии, импульсный ЯРД в настоящее время считается наиболее перспективным классом в отношении удельной мощности и соотношения расхода топлива к тяге. Однако такая система имеет ряд характерных недостатков: необходимость обеспечения должной прочности плиты, принимающей на себя импульс взрыва, выброс радиоактивных продуктов деления, а также правильный расчет мощности ядерного заряда и времени его подрыва. В связи с этим все работы по импульсным ЯРД пока ограничились исключительно теоретическими расчетами.
Схема работы ядерного ракетного двигателя (ЯРД). Источник: Военное обозрение |
Новое предложение сотрудников лаборатории «Оак-Ридж» способно решить, как минимум, одну проблему ядерных ракетных двигателей – обеспечение правильной дистанции подрыва заряда и, как следствие, эффективное расходование топлива. Предложенная технология получила название Z-pinch (Z-сжатие). Ее суть заключается в создании плазменного «кокона», внутри которого и будет происходить взрыв топлива. Для этого предлагается оснастить «сопло» двигателя системой создания плазмы, а также рядом сопутствующего оборудование. Благодаря ему, сразу после выброса ядерного или термоядерного заряда системы двигателя пропускают через образовавшуюся плазму электрический разряд особо большой мощности. Разряд вызывает образование мощнейшего магнитного поля, которое захватывает заряд топлива. Последний, попав под такое воздействие, сжимается и достигает критической плотности. К моменту окончания подачи электричества, согласно расчетам, происходит взрыв. В качестве топлива для Z-двигателя в настоящее время предлагается использовать смесь дейтерия и литиевого изотопа Li6. Таким образом, предлагаемый двигатель имеет в своей основе термоядерные реакции.
Стоит отметить, что приведенное описание относится только к одному циклу работы перспективного ЯРД на Z-сжатии. В ходе работы двигателя такие циклы должны повторяться непрерывно, частота зависит от необходимой мощности. Нынешние расчеты показывают, что максимальная скорость космического корабля с Z-двигателем может достичь отметки в сто тысяч километров в час и даже перевалить через нее. Правда, для этого потребуется достаточно большое количество дейтериево-литиевого топлива. В защиту проекта стоит привести довод о меньших затратах топлива в весовом отношении: традиционные химические ракетные двигатели, способные разогнать аппарат до таких скоростей, имели бы совершенно неприемлемые размеры и расход топлива. Двигатель на Z-сжатии не имеет таких проблем, но, как это всегда бывает, не обошелся без собственных недостатков. В первую очередь, это сложность конструкции. На первый взгляд кажется, что такой ЯРД сравнительно прост, однако даже создание плиты, принимающей удар взрывов, само по себе является достаточно сложной задачей, ведь этой детали придется выдерживать сотни и тысячи взрывов достаточно высокой мощности. Кроме того, Z-сжатие требует колоссальных затрат энергии, которую космический корабль тоже должен откуда-то брать. Таким образом, экономия на непосредственном топливе оборачивается сложностями с другими элементами системы.
Тем не менее, сразу несколько американских научных организаций взялись за этот проект и, похоже, не собираются от него отказываться. Как минимум, до тех пор, пока не будет собран максимум информации, из которой можно будет вывести облик перспективного двигателя и список его плюсов и минусов технологического характера. Естественно, новые технологии требуют новой и уникальной научной аппаратуры. Основной площадкой для исследования Z-сжатия выбрана установка Z-machine. Собственно говоря, именно в честь этого аппарата и был назван принцип, лежащий в основе перспективной концепции ядерного двигателя. Импульсный энергетический ускоритель под названием «Z-машина» располагается на территории Национальной лаборатории Сандия (штат Нью-Мексико). Фактически он представляет собой комплекс из большого количества мощных конденсаторов, которые могут накапливать энергию и отдавать ее по команде. Подобные устройства давно существуют и используются учеными, но в проекте Z-двигателя будет использоваться именно ускоритель из Сандии. Причина этого – его мощность. Для удержания и сжатия порции термоядерного топлива требуются колоссальные энергии, которые попросту не под силу прочим ускорителям. Z-machine способен в течение одной наносекунды (миллиардная доля секунды) выдать электрический импульс мощностью в 210 тераватт. Ожидается, что Z-сжатия можно будет добиться и на меньших мощностях, но запас не повредит.
Энергетический ускоритель Z-machine, даже в отрыве от проекта нового ЯРД, представляет большой интерес. На данный момент он является самым мощным устройством этого класса. Кроме того, агрегат из лаборатории Сандия имеет приемлемые характеристики: зарядка конденсаторов системы длится несколько часов и не использует имеющиеся «общие» сети электропередачи. При этом Z-машина выдает рекордные значения мощности сверхкоротких импульсов. Целью создания импульсного ускорителя было изучение процесса термоядерного синтеза и, в будущем, исследование возможностей управления им. Именно по этой причине авторы проекта установки предусмотрели возможность накопления огромных зарядов. Примечательно, что во время разрядки конденсаторов вокруг проводников ускорителя образуются молнии.
Проект ядерного ракетного двигателя, работающего на принципе Z-сжатия достаточно интересен, но одновременно с этим фантастичен. До настоящего времени человечество еще не проводило каких-либо экспериментов с импульсными ЯРД, тем более с основанными на термоядерной реакции. Однако до готового двигателя еще далеко. Пока перед учеными стоит задача тщательнейшего изучения особенностей термоядерных реакций в небольшом количестве вещества, а также доказательства практической возможности Z-сжатия. Кроме того, нужно будет создать источник энергии, который справится с генерацией необходимого для работы двигателя электричества, а также спроектировать работоспособную и высокозащищенную систему подачи термоядерного топлива в рабочую часть двигателя. На данный момент все эти задачи смотрятся более чем сложными. Будем надеяться, американцы справятся с ними и человечество получит новую технологию, способную дать мощный толчок космонавтике и обеспечить массовые полеты к другим планетам.
По материалам сайтов:
http://dailytechinfo.org/
http://nasa.gov/
http://ornl.gov/
http://sandia.gov/
http://astronautix.com/
Рябов Кирилл
