«Аэрокосмическая техника» 1991 №1, сс.84-88

1) Aerospace America, 1990, No. 5, pp.14-17. Перевод И.И. Брянова под ред. В.В. Чернухи.

© American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., 1991. Все права сохраняются.

Через тридцать лет станет возможной трехмесячная марсианская экспедиция на пилотируемом космическом корабле. Спустя некоторое время после этого может начаться 50-летний полет по программе исследования межзвездного пространства первого космического аппарата с двигателем на антивеществе. Эти две дерзкие задачи находятся в процессе изучения группой специалистов NASA в рамках Исследовательской программы разработки перспективных двигателей, нацеленной в 21-й век.

Развиваемые в Программе идеи весьма масштабны, чего, к сожалению, нельзя сказать о ее бюджете. При ежегодных ассигнованиях Программы, не превышающих миллиона долларов, что меньше одной сотой процента всего бюджета NASA, ни один из разрабатываемых долговременных планов не будет претворен в жизнь, даже если возможность их технической реализации не будет вызывать сомнений. Без значительно больших финансовых вливаний в научно-исследовательские работы в области перспективных ракетных двигателей эпоха ЖРД для NASA будет продолжаться.

Среди тех, кто участвует в разработке планов NASA, и среди специалистов нет сомнения в том, что ЖРД непригодны для целого ряда космических программ, включая пилотируемый полет к Марсу. Основным недостатком жидкостных ракетных двигателей является относительно низкая энергоотдача с единицы массы топлива (включающего горючее и окислитель), что выражается предельным значением скорости выхлопной струи порядка 4,5 км/с при теоретическом предельном значении, равном 8 км/с.

Для осуществления двухлетней экспедиции на Марс и возвращения на Землю (без учета необходимости спуска на поверхность планеты и последующего взлета) необходимо обеспечить результирующее приращение скорости порядка 12 км/с ²⁾ При меньших значениях этой характеристики масса полезной нагрузки будет меньше, а запасаемая на борту корабля масса топлива — больше. Поскольку долговременный в этом случае пилотируемый полет потребует большого, насыщенного различным оборудованием обитаемого отсека, полная масса ракеты, а также затраты на полет окажутся гигантскими.

²⁾ С таблицей результирующих приращений скорости, необходимых для выполнения некоторых характерных полетов в режиме постоянно работающей двигательной установки, можно познакомиться в статье П.У. Гаррисона и Дж.Ф. Стоки "Двигатели космической техники будущего", опубликованной в журнале "Аэрокосмическая техника", No.5, 1989. — Прим. перев.

При этом многие эксперты сомневаются в том, что окажется вообще возможным столь долгое пребывание человека в условиях невесомости и космической радиации.

Чтобы выйти на приемлемую продолжительность полета, необходимы существенно более высокие скорости полета. Полет к Марсу продолжительностью 40 сут при минимальной полезной нагрузке потребует результирующего приращения скорости порядка 100 км/с. Чтобы масса корабля и затраты на экспедицию были приемлемыми, скорость выхлопной струи должна быть близкой к 50 км/с. Добиться этого посредством ЖРД не представляется возможным.

Ракетный двигатель, в котором используется энергия ядерной реакции, вряд ли можно отнести к разряду легко реализуемой альтернативы, несмотря на миллиарды долларов, вложенные NASA в такие проекты, как NERVA (Nuclear Energy for Rocket Vehicle Application). В рамках этого проекта разрабатывался ракетный двигатель с источником энергии в виде реактора с твердой активной зоной, в котором температура твердых стенок являлась фактором, ограничивающим удельную тягу двигателя (предельная скорость в выхлопной струе составит около 8 км/с). Использование источника энергии в виде реактора с газовой активной зоной, представляющей собой удерживаемую магнитным полем урановую плазму, позволит достичь более высоких значений скорости выхлопной струи, равной 20 км/с или даже выше. Однако ядерные реакторы создают такой высокий уровень радиоактивности, что масса системы защиты от нее становится ощутимой ценой применения таких двигателей. К числу еще более серьезных сдерживающих факторов следует отнести необходимость сборки реактора в космосе с помощью манипуляторов, чтобы избежать риска, связанного с транспортировкой собранной активной зоны через земную атмосферу.

В результате группа по исследованию новых схем двигательных систем начала рассматривать возможности применения термоядерного двигателя на космическом аппарате. Плотность выделения энергии при термоядерной реакции существенно выше, чем при реакции деления, а опасность радиоактивного поражения меньше. Теоретически такой двигатель позволяет достичь скорости в выхлопной струе порядка 200 км/с или даже более высокой, благодаря чему становится возможной трехмесячная экспедиция к Марсу. Однако технические трудности, связанные с организацией управляемой термоядерной реакции в условиях бортовой энергоустановки космического корабля, представляются весьма значительными.

В более отдаленном будущем для осуществления полетов даже автоматических аппаратов за пределы Солнечной системы потребуются двигатели на антивеществе. Использование в ракетном двигателе реакции аннигиляции теоретически позволяет достичь скоростей в выхлопной струе, близких к скорости света. Однако здесь еще предстоит решить не только сложные технические задачи, но и серьезные научные проблемы.

В этой схеме термоядерного взрывного двигателя VISTA используются два отражающих лазерные лучи фокусирующих зеркала. Коническая конструкция аппарата является несущей и одновременно используется для сброса тепла излучением в космос.

Наибольшие трудности, с которыми сталкивается группа перспективных исследований, носят не научный, а финансовый характер. "В последнем утвержденном бюджете ассигнования на наши работы были урезаны почти наполовину, — поясняет руководитель проекта Г. Беннет, — с 1,5 млн. долл. до 800 000 долл. В настоящее время приоритет программ, рассчитанных на перспективу, заметно понизился. Однако мы надеемся, что в 1991 г. ситуация изменится". Сокращения ассигнований вынудили приостановить работы по целому ряду направлений и исключили возможность какого-либо существенного развития тех исследований, в которых уже получены интересные результаты.

И все же, несмотря на явный недостаток средств, прогресс в развитии программы налицо. "Мы сконцентрировали наши усилия на решении задач, связанных с термоядерным движителем, — замечает Беннет, — поскольку мы не располагали возможностями исследовать различные способы реализации управляемой термоядерной реакции, что находится в области безраздельного влияния министерства энергетики". В результате программа развернулась в направлении разработки двух схем двигателей, работающих на термоядерной энергии или электрической энергии, в которую преобразуется энергия термоядерной реакции. Достоинство обеих схем в том, что на их основе в ближайшем будущем могут быть созданы двигатели малой тяги как маршевые, так и для систем управления и ориентации космического аппарата.

Одна из схем построена на принципе нагрева рабочего тела токами СВЧ, а другая — на электронном циклотронном резонансе (ЭЦР), в результате чего электрическая энергия преобразуется в кинетическую энергию рабочего тела.

Исследуемые схемы движителя на антивеществе, отличающиеся эффективностью и удельной тягой (Isp), измеряемой в с (1 с удельной тяги эквивалентна предельной скорости выхлопной струи 10 м/с).

Эти движители придут на смену используемым в настоящее время электрическим движителям малой тяги, в которых ионизированное рабочее тело разгоняется в электрическом поле, создаваемом между электродами. Движители такой схемы не позволяют получить большую тягу, а вследствие интенсивной эрозии электрода они отличаются весьма ограниченным ресурсом.

В схеме движителя с СВЧ-нагревом специально подобранная газовая смесь превращается в плазму, которая нагревается до 4000 — 6000 К и поддерживается в таком состоянии. Плазменное ядро обтекается рабочим телом, в качестве которого предполагается использовать гелий или водород. Затем нагретое рабочее тело, расширяясь в сопле, выбрасывается из него, создавая таким образом тягу. В предварительном экспериментальном исследовании, проведенном в рамках контракта с Научно-исследовательским центром им. Льюиса учеными из Мичиганского университета Ст. Уайтхэйром и Дж. Амуссеном, было установлено, что из-за отвода тепла в стенки сопла температуру рабочего тела в сопле не удавалось поднять выше 2000 К. Тем не менее рабочее тело удалось разогнать до скорости порядка 6 км/с при мощности источника энергии 1,5 кВт. Исследователи предполагают, что с помощью магнитного поля, наложенного на течение в сопле, удастся так организовать это течение, что в результате станет возможным достигнуть скоростей порядка 20 км/с. Они намереваются в ближайшее время проверить эти предположения с источником энергии мощностью 30 кВт.

По мнению Дж. Сесела из Лаборатории реактивных двигателей, использование принципа ЭЦР позволит достичь даже более высоких скоростей разгона рабочего тела порядка 100 км/с. В этой схеме движителя преобразование СВЧ-энергии в кинетическую энергию рабочего тела осуществляется непосредственно с помощью электромагнитного взаимодействия, а не в результате нагрева рабочего тела, т.е. взаимодействие СВЧ-излучения с рабочим телом происходит в условиях наложения сильного магнитного поля. При этом частота СВЧ-излучения и напряженность магнитного поля подбираются таким образом, чтобы обеспечить условия резонансного увеличения энергии вращения с собственной, т.е. циклотронной, частотой электронов вокруг магнитных силовых линий по спиральным траекториям. Форма магнитных силовых линий подбирается такой, чтобы движущиеся вокруг силовых линий электроны одновременно ускорялись в продольном направлении. Одновременно будут разгоняться и находящиеся в газообразном рабочем теле ионы, увлекая весь газ.

Результаты экспериментов Сесила с применением источника СВЧ-излучения мощностью 20 кВт выглядят многообещающими. Достигнуты скорости рабочего тела, превышающие 10 км/с, а проводимые сейчас исследования уже нацелены на достижение скорости 30 км/с. Хотя еще предстоит многое сделать, чтобы выйти на уровень к.п.д., который, согласно полученным оценкам, может быть достигнут и составляет 97%, потенциал схемы ЭЦР в достижении высоких значений удельной тяги уже не вызывает сомнений. Если будет создан подходящий источник энергии СВЧ-излучения, то удастся построить двигатель для космических аппаратов, нацеленных на выполнение беспрецедентных по сложности программ.

Эти финансируемые NASA разработки схем перспективных двигательных установок находятся в тесной связи с исследованиями управляемой термоядерной реакции. В подобных исследованиях, как правило, предпочтение отдается комбинации дейтерий — тритий (Д — Т) в качестве горючего, что неизбежно приводит к большим потокам нейтронов, на которые приходится значительная часть полного энерговыделения. В этом отношении более перспективными для бортовой термоядерной энергоустановки представляются другие варианты термоядерного горючего, например, комбинации дейтерий — гелий-3 (D -Не³) и водород — бор-11, применение которых отличается относительно малым выходом нейтронов и значительной долей энергии, приходящейся на СВЧ-излучение. Источником такого излучения служат электроны, оказавшиеся в сильном магнитном поле внутри реактора.

Однако отказ от использования в качестве термоядерного горючего комбинации Д — Т чревато серьезными осложнениями, выражающимися прежде всего в необходимости достижения еще более высокой температуры для инициирования реакции ядерного синтеза. Низкий выход нейтронов при использовании таких видов термоядерного горючего позволяет уменьшить массу системы защиты, а интенсивное СВЧ-излучение, сопровождающее в этом случае термоядерную реакцию, может быть непосредственно преобразовано в кинетическую энергию рабочего тела без промежуточного преобразования в тепловую энергию.

Однако осуществление термоядерной реакции с помощью магнитного поля сопряжено со многими трудностями, которые еще предстоит преодолеть, прежде чем можно будет говорить о разработке бортовой термоядерной энергоустановки. Ученые из министерства энергетики уверены, что через несколько лет на экспериментальных термоядерных установках можно будет получить выход энергии, который превысит энергию, затраченную на инициирование реакции. Существующие экспериментальные установки, построенные по схеме "токомак" с тороидальным соленоидом (для создания магнитного поля), имеют слишком большую массу, чтобы можно было рассчитывать на применение подобных установок в условиях космоса. С другой стороны, обычная ориентация в этих экспериментах на горючее в виде Д — Т также лишает каких-либо перспектив ( применение подобных устройств в качестве бортовых установок из-за непомерно массивной защиты от облучения большими потоками нейтронов.

Одно из направлений создания компактной термоядерной установки, которую можно было бы использовать в качестве бортовой, разрабатывается С.К. Бороковским из Научно-исследовательского института авиационных двигателей. Главная идея, лежащая в основе этого направления, состоит в том, что необходимое для удержания плазмы магнитное поле в основном создается внутри самой удерживаемой плазмы, а не внешним магнитом. В результате существенно уменьшаются размеры реактора. В реакторе подобного рода, по крайней мере теоретически, могут применяться вполне приемлемые по выбросу нейтронов виды горючего, и, таким образом, становится возможным ограничиться защитой малой массы или даже вовсе отказаться от нее.

По оценкам Бороковского, подобная установка, названная "сферомаком" и использующая в качестве горючего D — Не³, при массе 500 т сможет вырабатывать 5 ГВт полезной мощности и обеспечить разгон рабочего тела до скорости 500 км/с. Этого окажется достаточно для доставки 200 т полезной нагрузки на Марс и возвращения ее на Землю за 77 дней. При массе топлива 300 т полная масса космического корабля составит 1000 т.

Известно, что исследования возможности создания компактных термоядерных энергоустановок ведутся и по другим направлениям, в частности, разрабатываются идеи использования эффектов "z-пинч" и "плазма-фокус". Реализация этих идей позволит отказаться от применения магнитов, поскольку сопровождающие эти эффекты сильные электрические токи вызывают собственные сильные магнитные поля. Благодаря этому масса энергоустановки может быть значительно снижена. Небольшие размеры установки позволяют существенно снизить затраты на проведение экспериментов и довести их до одного миллиона долларов или даже до меньшей суммы. К сожалению, средств, выделенных под Программу разработки перспективных двигателей, не хватает даже на предварительные исследования схем подобных двигательных установок и проведение необходимых для этого экспериментов. Подобные идеи остаются без надлежащего внимания и в министерстве энергетики.

Другое разрабатываемое рядом исследователей направление связано со схемой так называемого инерционного удержания синтеза. Согласно этой схеме, таблетка термоядерного горючего нагревается лазерным лучом или пучком частиц, в результате чего происходит термоядерная реакция, подобная взрыву миниатюрной водородной бомбы. В одном из вариантов схемы, исследуемом совместными усилиями специалистов из Lawrence Livermore Lab. и Jet Propulsion Lab., инициирование взрыва осуществляется вне космического аппарата, при этом тяга создается в результате взаимодействия расширяющейся плазмы и наложенного на область за аппаратом магнитного поля. В этом варианте рассматривается применение в качестве термоядерного горючего Д — Т, однако 75% общего потока нейтронов минует космический аппарат, благодаря чему может быть снижена масса защиты. Согласно полученным оценкам, полная масса лазерных систем, теплоизлучателей, радиационной защиты составит около 1600 т, включая 100 т полезной нагрузки при полете на Марс. Если исходить из эффективной скорости рабочего тела 170 км/с, то потребуется порядка 4000 т горючего.

В ходе субсидируемых NASA предварительных исследований термоядерного двигателя не было выявлено каких-либо принципиальных трудностей, которые могли бы встать на пути его создания. Более того, исследования показали, что только с такой энергоустановкой, несмотря на все "сложности, которые будут сопровождать ее создание, можно будет осуществлять экспедиции к планетам Солнечной системы. Применение в качестве одного из компонентов термоядерного горючего Не³ осложняется трудностями его выработки, тогда как другие виды и компоненты термоядерного горючего вполне доступны. Основная задача состоит в разработке и создании конструкции термоядерного реактора относительно небольшой массы и размеров, в первую очередь использующего наиболее удобные для длительной эксплуатации виды горючего.

Степень сложности научных и технических задач, которые предстоит решить при разработке бортовой термоядерной энергоустановки, ни в какое сравнение не идет с масштабами проблем, стоящих перед учеными и инженерами, исследующими возможность разработки двигателя на антивеществе. Здесь еще предстоит решить ряд принципиальных научных задач. Судя по всему, только посредством двигателя на антивеществе станут возможными полеты к звездам, однако принципы создания такого двигателя и организации его эксплуатации остаются неясными.

Антивещество является продуктом соударения частиц высоких энергий в ускорителях частиц. К сожалению, выход антивещества в этом случае весьма незначителен. В настоящее время менее 0,1% энергии, "вложенной" в ускоритель, трансформируется в производство антивещества. Обнадеживает то, что за последние десять лет выход антивещества увеличился в 10 000 раз. Если эта тенденция сохранится, приемлемое для практического использования количество антивещества станет возможным вырабатывать уже в 2010 г.

Высокая эффективность использования топлива, связанная, в частности, с тем, что вещество и антивещество полностью аннигилируют, позволяет рассчитывать на весьма компактные системы хранения горючего. Так, полет космического корабля с массой полезной нагрузки 100 т к Марсу и возвращение на Землю потребуют всего 30 г антивещества, а для полета космического аппарата с полезной нагрузкой 10 т к ближайшей звезде потребуются 25 кг антивещества. Правда, хранение горючего в этом случае представляет собой сложную техническую задачу, поскольку любой контакт с веществом приведет к взрыву. В Университете Брауна исследуется возможность удержания антивещества в твердой фазе сильным магнитным полем. При этом антивещество должно быть охлаждено до температуры, близкой к абсолютному нулю, что само по себе представляет беспрецедентную по сложности задачу.

Вообще, наиболее сложно то, что связано с применением антивещества. При реакции аннигиляции протонов с антипротонами только четвертая часть всей выделившейся энергии трансформируется в частицы, такие, как пионы, которые могут быть использованы для создания тяги, тогда как большая часть энергии выделяется в виде потоков гамма-частиц, что порождает колоссальные трудности при организации системы защиты полезной нагрузки. Предстоит найти какой-то способ отведения этого потока в сторону от космического корабля.

Достижение высоких удельных характеристик при использовании антивещества также далеко не простая задача. Простое (механически) сближение двух порций вещества и антивещества не даст нужного эффекта, поскольку выделение энергии в результате реакции происходит столь интенсивно, что сближающиеся порции будут отброшены друг от друга в результате аннигиляции незначительных их частей. Сведение вещества и антивещества можно осуществить на уровне отдельных частиц, движущихся в виде пучков, однако в этом случае величина выделяющейся в единицу времени энергии будет невысокой, вследствие чего и тяга будет относительно низкой. Сейчас совершенно неясно, каким образом удастся преодолеть эти трудности. В этой ситуации ясно лишь то, что решение этих задач потребует значительно больше выделяемых NASA в год 800 000 долл.