«Техника-молодежи» 1971 г №4, с.16-17

ЯДЕРНОЕ СЕРДЦЕ РАКЕТЫ В. ЕВСЕЕВ, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Объединенного института ядерных исследований

Таков «принцип реактивного движения, выдвинутый К. Циолковским более полувека назад. И сегодня реактивные двигатели — единственные известные нам устройства, которые могут нести наши корабли не только к планетам солнечной системы, но и к ближайшим звездам. За последние 10-15 лет предложено множество вариантов реактивных двигателей для космических кораблей. Но все они отличаются лишь рабочим веществом. Пища для ракет ныне представлена в богатейшем ассортименте. Однако конечный итог ее переработки все тот же — создание реактивной тяги.

Многолики и возможные способы преобразования рабочего вещества. В термохимических ракетах — а только они сейчас и устремляются в космос — в камере сгорания сжигается топливо. Если говорить на языке химии, одни молекулы разрушаются, другие возникают, происходит перестройка их электронных оболочек. Реакции горения дают довольно большую энергию. Но проблема состоит в том, чтобы перевести эту энергию в наибольшую скорость истечения газа. А как видно из схемы на цветном рисунке, скорость испускания рабочего вещества у химических ракет как раз невелика. Тяга, конечно, значительна, такие ракеты могут стартовать с поверхности Земли и других планет. Однако экономичность двигателя оставляет желать лучшего.

Чтобы поднять тяжелые межпланетные корабли (весом не менее 250 т), нужны иные энергетические средства. К примеру, ядерные, на контролируемой цепной реакции деления. Они в принципе способны развить еще большую тягу и дать еще большую скорость истечения. И это не все. Ядерный двигатель можно многократно включать на трассе, общая продолжительность его действия — несколько часов.

Кстати, он не относится к числу тех огромных ускорителей, которые, оставляя за собой языки пламени, величественно поднимаются со стартовых площадок. Двигатель целесообразно запускать лишь после того, как ракета выйдет из земной атмосферы. Он создаст силу тяги на последних ступенях ракеты в длительных космических полетах.

Атомный реактор на межпланетном корабле... Перед конструкторами довольно сложные проблемы. Нужна защита от излучений, которая неизбежно утяжелит двигатель. Но сам он экономичнее и легче химического, ибо обходится без окислителя. В итоге переход на атомную энергию оказывается перспективным делом.

Принцип действия ядерного ракетного двигателя был предложен еще в 40-е годы. Если сжиженный газ разогреть в реакторе до высокой температуры, то он будет стремительно расширяться и под большим давлением вырываться из сопла, создавая реактивную тягу. Наибольшую скорость истечения дает водород, самый легкий из элементов. В жидком виде его температура -253°С, а после нагрева в реакторе уже +2500°. Реактор, который во время работы должен быть горячее истекающего из сопла водорода, раскалится почти до температуры вольфрамовой нити в электрической лампочке. Но все системы должны действовать надежно, особенно устройства управления, с помощью которых реактор включают и выключают.

Американские инженеры испытали такой двигатель. Он пока не способен к полетам: при тяговом усилии 25 т весит свыше 18 т. Слишком много. Нужно еще совершенствовать и совершенствовать конструкцию, чтобы она сгодилась для первых испытаний в космическом пространстве. И все же основные узлы уже обрисовались достаточно четко.

Водород выполняет функцию не только рабочего тела, но и охладителя. Он поступает из бака, проходит турбину и через трубопровод попадает в полость между стенками сопла. Газ отводит тепло от стенок и несколько нагревается, затем проходит вокруг реактора, также забирает у него тепло и только потом направляется в активную зону атомного «котла». Там происходит основной нагрев, газ сильно расширяется и выбрасывается через сопло наружу. Но не целиком. Небольшая часть его отводится назад, разбавляется свежим водородом и приводит в движение турбину. Этот кругооборот показан на цветном рисунке.

Активная зона реактора составлена из графитовых тепловыделяющих элементов. Графит начинен частицами ядерного горючего — карбида урана. Рабочее вещество устремляется в промежутки между тепловыделяющими элементами. Чтобы устранить коррозионное действие водорода на графит, все поверхности их возможного соприкосновения покрывают защитным слоем из карбида ниобия. Вылетающие из активной зоны нейтроны отражаются бериллиевой стенкой.

Первые модели ядерных двигателей получили название «Киви» — по имени новозеландской птицы, неспособной летать. Теперь их величают иначе, но до полетов им по-прежнему далеко. Конструкторы надеются получить тягу в 34 т, а вес двигателя снизить до 5,5 т. Но тогда понадобится компактный реактор — не крупнее конторского письменного стола. Начав с холодного старта, атомный «котел» должен за несколько минут развить такую же мощность, как и генераторы крупной гидроэлектростанции.

Несмотря на серьезные технологические трудности, работы над ядерным двигателем не прекращаются. Конструкторов привлекают заманчивые потенциальные возможности этого устройства. Его называют даже ключом к солнечной системе. Как бы то ни было, преимущества ядерной ракеты перед химической неоспоримы. К примеру, продолжительность полета на Луну сокращается со 120 часов до 48. В других ситуациях атом поможет существенно увеличить полезный груз. Или совершить дальний космический рейс, который вообще не под силу обычной ракете.

А возможность заправки вдали от Земли? Как ни фантастична такая мысль, ученые серьезно считаются с ней. Ведь водород или другое рабочее вещество найти на планетах солнечной системы гораздо легче, чем бензин или керосин.

Основоположники космонавтики думали и над проблемой использования отработавшего ракетного оборудования. Вспомним идею Ф. Цандера — сжигать металл корпуса в камере сгорания. С атомным двигателем дело обстоит проще. Пусть срок его работы истек — реактор будет вырабатывать энергию еще длительное время. А нужда в ней в любой межпланетной экспедиции всегда велика. Тепло атомного «котла» можно использовать, скажем, для обогрева лунных станций.