К Марсу на реакторе: Взрывная сила

Мы живем на дне гравитационного колодца. Популярные книги про общую теорию относительности часто описывают пространство как тонкую резиновую пленку, весьма слабо натянутую. Звезды или планеты представляются шариками, положенными на эту пленку и сильно ее прогибающими. Такой прогиб и называют «гравитационным колодцем», хотя он больше похож на воронку.

Наш колодец очень глубок. Это необходимо, чтобы на Земле могла существовать жизнь: иначе наша планета растеряла бы кислород, которым мы дышим, а еще быстрее — воду, из которой все живое состоит больше чем наполовину. Ведь скорости молекул воздуха распределены по закону Максвелла, а значит, есть такие, чья скорость в четыре, шесть, даже в десять раз больше средней. Вот только число их стремительно падает с увеличением скорости. Но молекул со скоростью вчетверо больше средней еще достаточно много, поэтому водород и гелий в атмосфере Земли не удерживаются, а улетают в межпланетное пространство — как крошечные искусственные спутники. Потому что чем меньше молекулярный вес, тем большую скорость имеют молекулы при той же температуре, а у водорода и гелия — самые-самые легкие молекулы. Масса молекулы водорода из двух атомов — 2 а.е., а одноатомного гелия — 4 а.е.

Но когда такие же молекулы вылетают из сопла ракетного двигателя, в формулу тяги входит их средняя скорость. А ее можно поднять, только повышая температуру в камере сгорания. Молекулярную массу снизить можно, подбирая состав топлива для ракетного двигателя, но выбор тут крайне невелик. Лучшее горючее, каким мы располагаем, — это водород, а лучшие окислители — фтор и кислород. В результате реакции получается либо плавиковая кислота HF, либо обычная вода H2O. Молекулярная масса воды 18, а плавиковой кислоты — 19. Это в девять раз больше массы молекулы водорода, а значит, при той же температуре скорость будет в три раза меньше — в формуле энергии скорость в квадрате, помните, mv2/2? Соответственно, при той же температуре нагрева для создания той же тяги воды надо в три раза больше по массе, чем водорода.

Поэтому оказывается выгодным в камеру ЖРД водорода закачать побольше, чтобы он сгорел не весь, а остаток смешался с водяным паром и снизил среднюю молекулярную массу выхлопа, при этом температура упадет, но скорость в оптимуме получается в полтора раза больше. Примерно так и работают все кислородно-водородные ракетные двигатели. Они самые эффективные среди всех химических ракетных двигателей. Но и их эффективности не хватает, чтобы одноступенчатая ракета могла вывести на орбиту сколько-нибудь заметную полезную нагрузку.

Чтобы получить еще большую эффективность, нужно иметь выхлоп из чистого водорода, но как его нагреть до нужной температуры? В конце 1950-х — начале 1960-х годов ответ на этот вопрос казался очевидным — конечно, ядерной энергией! То есть надо создать ядерный ракетный двигатель. По расчетам получалось, что он будет вдвое экономичнее лучшего кислород-водородного! Такой аппарат вполне мог бы взлететь с Земли и выйти на орбиту, не сбрасывая отработанные ступени.

Соревнование между СССР и США, в том числе и в космосе, шло в это время полным ходом, инженеры и ученые вступили в гонку по созданию ЯРД, военные тоже поддержали вначале проект ядерного ракетного двигателя. Поначалу задача казалась очень простой — нужно только сделать реактор, рассчитанный на охлаждение водородом, а не водой, пристроить к нему сопло, и — вперед, к Марсу! Американцы собирались на Марс лет через десять после Луны и не могли даже помыслить о том, что астронавты когда-нибудь его достигнут без ядерных двигателей.

Американцы очень быстро построили первый реактор-прототип и уже в июле 1959 года провели его испытания (они назывались KIWI-A). Эти испытания всего лишь показали, что реактор можно использовать для нагрева водорода. Конструкция реактора — с незащищенным топливом из оксида урана — не годилась для высоких температур, и водород нагревался всего до полутора тысяч градусов.

По мере накопления опыта конструкция реакторов для ядерного ракетного двигателя — ЯРД — усложнялась. Оксид урана был заменен на более термостойкий карбид, вдобавок его стали покрывать карбидом ниобия, но при попытках достигнуть проектной температуры реактор начинал разрушаться. Больше того, даже при отсутствии макроскопических разрушений происходила диффузия уранового топлива в охлаждающий водород, и потеря массы достигала 20% за пять часов работы реактора. Так и не был найден материал, способный работать при 2700−30000С и противостоять разрушению горячим водородом.

Поэтому американцы приняли решение пожертвовать эффективностью и в проект летного двигателя заложили удельный импульс (тяга в килограммах силы, достигаемая при ежесекундном выбросе одного килограмма массы рабочего тела; единица измерений — секунда). 860 секунд. Это вдвое превышало соответствующий показатель кислород-водородных двигателей того времени. Но когда у американцев стало что-то получаться, интерес к пилотируемым полетам уже упал, программа «Аполлон» была свернута, а в 1973 году окончательно закрыли проект «NERVA» (так назвали двигатель для пилотируемой экспедиции на Марс). Выиграв лунную гонку, американцы не захотели устраивать марсианскую.

Но уроки, извлеченные из десятка построенных реакторов и нескольких десятков проведенных испытаний, состояли в том, что американские инженеры слишком увлеклись натурными ядерными испытаниями, вместо того чтобы отрабатывать ключевые элементы без вовлечения ядерной технологии там, где этого можно избежать. А где нельзя — использовать стенды меньшего размера. Американцы почти все реакторы «гоняли» на полной мощности, но не смогли добраться до проектной температуры водорода — реактор начинал разрушаться раньше. Всего с 1955 по 1972 годы на программу ядерных ракетных двигателей было потрачено $1,4 млрд. — примерно 5% стоимости лунной программы.

Для СССР в те годы это была чрезмерная сумма. Конечно, пока военные поддерживали проект ядерной ракеты, финансирование шло в достаточных объемах. Но уже к 1961 году стало ясно, что задача доставки ядерной боеголовки куда угодно решается и с обычными химическими двигателями, а межпланетные путешествия интересовали высшее руководство страны лишь постольку, поскольку приносили политические дивиденды. Так что советская программа ядерного двигателестроения была неизмеримо скромнее — если американцы начали с двигателя тягой 70 тонн, то наши решили ориентироваться всего на 14 тонн. Такой небольшой ЯРД хорошо подходил на четвертую ступень ракеты «Протон».

Конечно, и они были полны энтузиазма, и им хотелось построить хоть маленький, но «настоящий» ЯРД, и им тоже казалось, что это несложно. Но, к чести наших ученых, они очень быстро поняли глубину стоящих перед ними проблем. И «штурмовщина» сменилась системным подходом. Первый стенд, на котором испытывался «физический аналог» реактора будущего ЯРД, назывался «Стрела».

Первое и главное отличие наших ЯРД от американских — их решено было делать гетерогенными. В гомогенных (однородных) реакторах ядерное топливо и замедлитель распределены в реакторе равномерно. В отечественном ЯРД ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы, ядерное топливо) были отделены теплоизоляцией от замедлителя, так что замедлитель работал при гораздо меньших температурах, чем в американских реакторах. Следствие этого — отказ от графита и выбор гидрида циркония в качестве основного замедляющего материала. По нейтронно-физическим свойствам гидрид циркония близок к воде, поэтому, во-первых, реактор получался втрое компактнее, чем графитовый (а значит, и намного легче), во-вторых, физические модели двигательного реактора можно было отлаживать гораздо быстрее и дешевле.

Второе, может быть, даже более радикальное отличие — в гидродинамике. Раз уж невозможно было добиться, чтобы ядерное топливо не растрескивалось в реакторе, нужно сделать так, чтоб растрескивание не приводило к изменениям свойств реактора — ни ядерных, ни гидравлических. Была проведена совершенно фантастическая по объему работа, в результате которой выбрали оптимальную форму стержней ядерного топлива — витые стерженьки с сечением в форме четырехлепесткового цветка, размер лепестков — всего пара миллиметров при длине стержня примерно в метр! Такие стержни, упакованные в плотную пачку, образуют систему каналов, свойства которых не изменяются, даже если стержни в процессе работы растрескиваются. Больше того, обломки размером даже в доли миллиметра оказываются заклинены соседними кусками стержня и остаются на месте! В сопло уносятся только совсем микроскопические частицы, максимум в десятки микрон.

Для достижения максимальной температуры водорода на выходе эти стержни содержали переменное по длине количество урана — чем ближе к «горячему» концу, то есть к соплу, тем меньше было делящегося материала. Назвали это «физическим профилированием». Конструкторы жертвовали компактностью реактора ради экономии водорода — тепловые потоки такой величины, как на «холодном» конце стержня, где перепад температур достигал 25000С, были невозможны на горячем, разница температур между ядерным топливом и водородом уменьшалась в 10 раз — во столько же нужно было снизить теплопоток. На этом удалось выиграть еще 3500С выходной температуры.

При такой конструкции реактора регулирующие нейтронный поток органы тоже пришлось вынести наружу. В традиционных реакторах это стержни, размещенные более или менее равномерно по объему. В ЯРД реактор был окружен отражателем нейтронов из бериллия, в который были врезаны барабаны, покрытые с одной стороны поглотителем нейтронов. В зависимости от того, какой стороной барабаны были обращены к активной зоне, они поглощали больше или меньше нейтронов, что и использовалось для управления реактором. К этой схеме пришли в итоге и американцы.

Ядерное топливо для реактора ЯРД — это отдельная, тоже очень объемная работа. Для исследования свойств материалов при таких условиях пришлось построить специальный опытный реактор ИГР, в котором исследуемый ТВЭЛ мог иметь температуру на 10000С больше, чем основной объем активной зоны. В два с половиной раза был в этом месте больше и поток нейтронов. Вот только испытания эти были кратковременными — но об этом позже.

В результате топливо стало композитом, как стеклопластик, из карбидов урана и вольфрама или циркония, причем при такой высокой температуре кристаллы карбида вольфрама придавали ему прочность, а карбид урана заполнял пространство между ними. И тут наши обошли американцев — заокеанские ядерщики уже научились использовать карбид урана вместо обычного для ядерной энергетики оксида и комбинировать его с карбидами других металлов, но до композитной структуры в своих исследованиях не дошли. Выпуском столь сложного ядерного материала занималось подольское НПО «Луч».

На Семипалатинском полигоне, в 50 километрах от места испытаний первой ядерной бомбы, для реакторов ЯРД был построен специальный стендовый комплекс «Байкал». «Планов громадьё» предусматривало в нем две очереди, но реализована была только первая. Из-за этого не было возможности испытать реактор с жидким водородом, да и испытания с газообразным сжатым удалось провести не в полном объеме. Тем не менее были построены два рабочих места, одно с реактором ИВГ-1, другое для реактора ИРГИТ. Реактор ИВГ-1 был многоцелевым, он мог использоваться и как стендовый прототип будущего ЯРД тягой 20−40 тонн, и как стенд для испытания новых видов ядерного топлива. Старенький ИГР, заложенный еще при жизни Курчатова (Игорь Васильевич в шутку называл его ДОУД-3), мог работать только в импульсном режиме, так как вовсе не имел охлаждения и выделявшееся тепло разогревало активную зону до 30000C за несколько секунд, после чего требовался многочасовой перерыв. ИВГ мог работать до двух часов подряд, что давало возможность изучить долговременное влияние условий работы на ядерное топливо. Именно с него и началась в 1972 году работа на «Байкале». Несмотря на водяной замедлитель, водород, охлаждающий ядерное топливо, мог нагреваться до 25000C, а в специальном центральном канале можно было получить и все 30000C!

В это же время в подмосковных Химках шла отработка турбонасосного агрегата, агрегатов автоматики и управления и других механизмов, которые из реактора делают ЯРД. А вот самого реактора в составе этого «холодного» двигателя и не было — подогрев водорода в специальных теплообменниках происходил от обычных кислород-водородных горелок. Остальные агрегаты полностью соответствовали настоящему двигателю. Например, для уменьшения выноса углерода из ТВЭЛов горячим водородом в активную зону приходилось добавлять гептан. Этот углеводород — фактически бензин для зажигалок, только очень тщательно очищенный, — нужен был в небольшом количестве, 1−1,5% от массы водорода. Такая малая добавка не влияла на удельный импульс двигателя, но для достижения нужной эффективности насоса тот должен был вращаться со скоростью почти 170 000 об./мин, то есть почти втрое быстрее гироскопов в системах управления ракет того времени! Однако к 1977 году все задачи удалось решить и агрегаты могли работать часами.

И вот наконец 27 марта 1978 года состоялось первое «горячее» испытание реактора 11Б91-ИР-100 (ИРГИТ) — такое имя получил будущий ЯРД. Это был так называемый энергетический пуск. Параметры его были весьма скромными, мощность 25 МВт (примерно 1/7 от проектной), температура водорода — 15000С, время работы а этом режиме — 70 секунд. Но не подумайте, что наши инженеры на 19 лет отставали от американцев! Очень скоро, в июле и августе 1978 года, тот же реактор на огневых испытаниях показал гораздо более высокие результаты! Была достигнута мощность сначала 33 МВт, а потом и 42 МВт и температура водорода в 23600С. Реактор мог бы работать и дальше, но решено было остальные работы проводить со вторым экземпляром аппарата, а этот снять со стенда и разобрать, чтобы проверить, как испытание повлияло на реактор и топливо внутри него.

Вплоть до середины 1980-х годов испытания продолжались, мощность росла, и при каждом испытании нагрев водорода был близок к предельному, что отличало эти испытания от американских. В Соединенных Штатах двигателисты гнались за мощностью (в одном из испытаний она достигала 4400 МВт), а в СССР — за эффективностью ЯРД, критерием которой служила температура рабочего тела. Почти все проектные характеристики были подтверждены за время испытаний.

Примерно в 1985 году РД-0410 (по другой системе обозначений 11Б91) мог бы совершить своей первый космический полет. Но для этого нужно было разработать разгонный блок на его основе. К сожалению, эта работа не была заказана ни одному космическому КБ, и тому есть множество причин. Главная из них — так называемая Перестройка. Необдуманные шаги привели к тому, что вся космическая отрасль мгновенно оказалась «в опале» и в 1988 году работы по ЯРД в СССР (тогда еще существовал СССР) были прекращены. Произошло это не из-за технических проблем, а по сиюминутным идеологическим соображениям. А в 1990-м году умер идейный вдохновитель программ ЯРД в СССР Виталий Михайлович Иевлев...

Возможности упущены. Отчасти и по вине ученых и конструкторов. Они погнались за «журавлями в небе» — таких было целых два. Первый — это газофазный ЯРД. Совершенно фантастический на первый взгляд реактор, в котором ядерное топливо находилось бы в парообразном виде. Он позволял поднять температуру водорода еще раз в пять-шесть, по крайней мере в теории, и достичь удельного импульса в 2000 секунд, как у нынешних электрореактивных двигателей на ксеноне, но при в тысячи раз большей тяге. Другой — это двухрежимная установка, способная при отлете от Земли работать в режиме ЯРД с нагревом водорода, а дальше — в электрогенерирующем режиме, снабжая энергией связку ЭРД, которые давали бы удельный импульс, недоступный и газофазному ЯРД, а малая величина тяги компенсировалась бы большим временем работы. Эта установка получила индекс 11Б97 и дошла до стадии проработки отдельных узлов. Однако из-за распада СССР оба «журавля» остались без финансирования.

Возобновление работ по ЯРД вполне возможно сейчас, тем более что практически все предприятия, которые были тогда вовлечены в программу, находятся на территории РФ (за исключением Семипалатинского полигона). Но тогдашний стенд все равно не удовлетворяет нынешним требованиям радиационной безопасности, так что все равно нужно строить новый. Рано или поздно это придется сделать, ведь химические ракеты давно достигли своего предела.

Об отправке на Марс пилотируемой миссии читайте на сайте специального проекта журнала: «Наш Марс».