Зачем России ядерный буксир?

Доставка огромных грузов на орбиту и дальний космос в современности всё ещё является проблемой. Обычные ракетные системы ограничены в грузоподъёмности и не могут справиться с долгосрочными миссиями, поэтому требуются более мощные и эффективные способы доставки грузов в космосе. И вот тут на сцену выходят ядерные буксиры.

Проблема химических двигателей

Большинство современных космических аппаратов получают скорость для запуска через химические процессы в ракетных двигателях и блоках разгона. Потом, когда они оказываются в космосе, то летят дальше сами по инерции.

Но тут дело в том, что эта система имеет проблему — химические двигатели очень быстро расходуют топливо. А это значит, что для заправки им требуются огромные баки. А работают эти двигатели всего с десяток секунд!

В итоге такие космические аппараты используют топливо от химических ракетных двигателей только для маневрирования или торможения, потому что на долгий полёт им его уже не хватит.

Ещё можно использовать гравитационное ускорение. То есть, пролетаешь мимо какой-нибудь планеты и получаешь дополнительную скорость. Но дело в том, что этот метод сложнее, чем кажется: он сильно увеличивает продолжительность миссии и далеко не всегда в принципе возможен. Не так-то просто воспользоваться гравитацией.

Ионные двигатели

А вот для ядерного буксира будут использовать ионные двигатели, которые работают по другому принципу. Там используется тяжёлый газ, типа ксенона, и его пропускают через электромагнитную дугу. В результате ионизации газ превращается в плазму, которая и создаёт тягу.

Давайте сравним эти две системы. Для этого возьмем пару показателей: удельный импульс и тягу двигательной установки. У жидкостных двигателей тяга может быть зашкаливающей, но эффективность (удельный импульс) у них низкая.

А с ионными двигателями ситуация противоположная. Они очень эффективные, но тягу не особо дают, с их помощью на орбиту ничего не выведешь. Зато в космосе такие двигатели могут работать часами, днями, а то и годами.

И каждую секунду они будут выдавать импульс, может и не такой уж большой, но всё же импульс. Именно благодаря этому они смогут разогнать космический корабль до скоростей, которые обычным химическим ракетам и не снились.

Зачем ядерный реактор?

А почему бы нам не использовать сразу несколько ионных двигателей, чтобы увеличить общую тягу и заодно иметь запасной вариант, если что-то пойдет не так? Ведь в сравнении с химическими ракетными двигателями ионные двигатели имеют так много плюсов.

Но тут есть одно НО. При таком раскладе требуется очень сильное электропитание, которое не так-то просто обеспечить, особенно если полагаться на солнечные батареи (эффективность этих батарей страдает, когда мы отдаляемся от Солнца).

Поэтому и решили использовать для этих целей ядерный реактор: он может быть сравнительно небольшим, но при этом весьма энергоэффективным.

Предполагают, что электрическая мощность на борту аппарата составит 1 МВт. Собственно, топливно-энергетический модуль (ТЭМ) и работает на базе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса.

Такая крутая установка даст тягу до 20 Н, что вполне уже позволит нормально разгонять в космосе тяжёлые многотонные вещи. Главное, чтобы это всё по весу и размерам влезало в головные части наших ракет типа «Ангара-А5» и выше.

Охлаждение

У ТЭМа есть одна интересная особенность, которая выделяет его среди других проектов: используется совершенно необычный способ преобразования тепла в электричество — через газовые турбины и электромеханические генераторы.

Ну, в общем-то, на обычных земных атомных электростанциях используют похожую систему, только там гоняют пары воды в турбинах, а здесь планировали использовать смесь газов. Ну и логично предположить, что такая система должна быть отлично налажена и проста в реализации.

Наземные электростанции могут справляться с охлаждением пара после турбин, ведь они просто используют воду из ближайшей речки. Ну да, река не всегда под рукой, но всё равно, в наземных условиях сбросить тепло не такая уж сложная задача.

А вот в космосе с этим есть проблемы: обычно тепло там можно сбросить только излучением. И тут встаёт вопрос о размерах этого излучателя или радиатора, если будет угодно. Когда мы генерируем сотни и тысячи киловатт электроэнергии, нужно как-то избавляться от огромного количества тепла.

В целом, есть два стула: либо мы повышаем температуру и уменьшаем радиатор, либо, наоборот, держим умеренную температуру и увеличиваем его размеры. Но при этом такие излучатели будут размером с футбольное поле.

Поэтому проблему охлаждения тоже решили по-своему, через уникальный капельный холодильник. В космосе разбрызгивается теплоноситель, который будет самостоятельно излучать тепло, а потом улавливаются уже остывшие капли. Решение, конечно, интересное, но, честно говоря, там внутри наверняка море технических проблем.

А ещё на Земле атомные станции можно спокойно обслуживать, а ТЭМ должен работать в космосе годами и даже десятилетиями, а значит, есть и проблема с ресурсом механических систем, особенно с трением деталей. Тут нужны особо прочные и долговечные подшипники. Поэтому в итоге выбрали бесконтактный вариант, типа газовых и магнитных опор, чтобы не было соприкосновения металлических поверхностей.

Вот и есть концепт ядерного буксира: ядерная установка на мегаватт и ионные двигатели.

В чём профит?

Понятно, что такая система разгоняется намного медленнее, чем ракеты на обычных химических двигателях. Например, чтобы добраться до Луны, ядерному буксиру потребуется значительно больше времени — около 200 дней.

Но зато ему не нужно возить с собой огромные баки с топливом, которые занимают много места и очень тяжелые. В итоге он сможет быстрее, чем обычный космический корабль, добраться до Марса (за год) или Юпитера (1.5 года), а потом ещё и снизить скорость на орбите и вернуться обратно без дополнительной заправки.

И чем дальше от Земли, тем очевиднее это выгода по времени становится.

А вот для Starship от SpaceX или для другой системы на химических двигателях такой финт невозможен: до Марса пока что это и вовсе билет в один конец.

Говоря о размерах и параметрах этого буксира: в общем, вес его будет больше 20 тонн, из них 7 тонн придется на ядерный реактор, а на топливо — 1 тонна. А вот полезная нагрузка будет 10 тонн. Если сравнивать с тем, что на орбиту Земли отправляют, то кажется, что не так уж и много. Но…

Зонды, что летели к Марсу, весили около 1-2 тонн. А аппараты к Юпитеру и Сатурну чуть больше — 2-3 тонны. Но чтобы доставить эти смешные грузы, надо ракеты запускать, которые выводят целых 15 тонн на орбиту.

Тут в игру как раз вступает «Зевс». Эти 10 тонн груза можно и к Луне и к Нептуну доставить. Разница только во времени полета, которое по сравнению с обычными способами будет огромное.

В общем, на одном рейсе ядерного буксира можно все экспедиции НАСА к внешней Солнечной системе за последние 30 лет загрузить. Например, «Юнона», «Кассини» и «Галилео» вместе взятые весят 8 тонн, ещё и место останется.

По скорости буксир тоже весьма хорош. Теоретически он может разогнаться до 70 км/с, а это в 4 раза быстрее, чем «Вояджер-1», самый быстрый рукотворный объект — всего 17 км/с. На практике, конечно, скорость будет от 5 до 10 км/с, но это всё равно весьма круто.

Итак, «Зевс» будет кататься по вселенной, перевозить грузы, модули и, может быть, даже целые орбитальные станции. А ещё он будет обеспечивать всем нужным: едой, водой и топливом – космонавтов (или колонистов) во время межпланетных во время межпланетных миссий. И не только это.

Ещё в числе возможных назначений буксира: перемещение мусора на орбите Земли, доставка ядерного реактора на Марс или и вовсе в роли ретранслятора, если расположить его в точке Лагранжа L1.

А ещё ядерный буксир хотят использовать в совместном с Китаем проекте международной научной лунной станции — тогда же запланирована готовность проекта в целом.

Ядерный буксир у нас называется «Зевс». Мы собираемся к 2030 году на практике его реализовать. Это одно из изделий, которое поможет в экспансии Луны, мы его собираемся в совместном проекте с Китаем использовать

А что за бугром?

В Америке начали изучать космические ядерные энергетические и двигательные установки еще в 1970-х годах, но не смогли создать работающие системы. Вот только в 2010-х годах они вернулись к этим исследованиям, но уже в меньшем масштабе.

NASA дошли до испытаний на стенде прототипа электростанции Kilopower, которая будет работать на Луне и Марсе, а военное ведомство США, DARPA, разработало проект демонстратора DRACO для операций вблизи Луны, которая будет использовать тепловой ядерный ракетный двигатель.

Но вот только Kilopower имеет в 20–100 раз меньшую электрическую мощность, а DRACO относится к прямоточным ядерным ракетным двигателям, которые значительно менее эффективны, чем энергодвигательные установки, используемые в «Зевсе».

В итоге, можно сказать, что «Зевс» — удивительный проект для исследования дальнего космоса (тут даже тот случай, когда действительно «аналогов нет»). Хотя реализация полноценных рабочих систем пока остается вызовом, результаты исследований и прототипы показывают потенциал ядерных установок в области космических полётов.

Они могут обеспечить долговременную энергию, значительно повысить скорость полёта и расширить возможности доставки грузов. Это открывает новые перспективы для исследования и колонизации других планет и астероидов.