Человечеству потребовались века, напряжённость работы математиков, первых естествоиспытателей, а затем физиков, химиков и ракетных конструкторов для того, чтобы покинуть пределы родной планеты.
Однако, по космическим меркам, нынешний уровень развития космической техники человечества находится в зачаточном состоянии. Нынешние ракеты уместно сравнить с первыми лодками, что не позволяли нашим далёким даже отдалиться от берега.
1. Маленький шаг
Химические двигатели сильно ограничены.
Использующиеся по сей день ракетные двигатели – химические. РХД создают реактивную тягу в результате преобразования химической энергии горючего, которая преобразуется в тепловую. Продукты этой реакции направляются в реактивное сопло, благодаря чему и движется ракета. Помимо РХД, человечество знает и другие типы двигателей. Однако все они за редким исключением или малоэффективны, или на сегодняшний день остаются гипотетически возможными.
Ракеты отнюдь не совершенны.
Изобретение и развитие РХД в XX веке стало огромным шагом для человечества. Однако, ещё в годы холодной войны эта технология фактически упёрлась в потолок развития. Потолок этот установлен объективными законами физики, химии и нашими знаниями о них. Главная проблема РХД – в топливе. Ни керосин-кислород, ни водород-кислород не позволяют переступить через 450-секундный барьер удельного импульса (главный показатель эффективности двигателя), что накладывает серьёзные ограничения как на скорость полёта космического корабля, так и на потенциал его грузоподъёмности.
2. Лучик надежды
Американский ЯРД.
О том, что РХД имеют весьма ограниченный потенциал развития, ракетные конструкторы догадывались ещё на заре освоения ракетостроения. В качестве наиболее перспективного выхода из тупика малого удельного импульса ещё в 1940-е годы сочли атомные технологии. Ещё не была запущена первая атомная электростанция в истории человечества, а советские учёные уже задумали использовать ядерные технологии для создания сверхмощного двигателя. Впрочем, не они одни… В Советском Союзе прорабатывать тему ядерных двигателей принялись ещё в 1947 году. При этом конкретно о ракетном ядерном двигателе всерьёз заговорили в 1953. Похожим образом ситуация вокруг темы ЯРД развивалась и в США, где в 1955 году запущен проект NERVA. В тот же год исследовательская группа по изучению ЯРД появилась и в Союзе.
Общий принцип ядерного двигателя был прост: ядерный реактор в процессе работы нагревает водород, который в дальнейшем вырывается из сопла и приводит в движение ракету. Но то общий принцип… Реализация чего-то подобного на практике была более, чем нетривиальной задачей. В США и СССР учёные и конструкторы пошли двумя разными путями. Американцы попытались построить ЯРД с использованием графитовых элементов активной зоны. На бумаге всё было гладко, но первые же испытания показали ряд проблем. Первой и главной стала исключительная химическая агрессивность водорода, разогретого до огромной температуры. Последний становился настолько едким, что просто разрушал графитовые элементы конструкции. В итоге после серии неудач, программу NERVA закрыли в 1972 году.
Один из советских опытных ЯРД.
Советские специалисты пошли другим путём. Вместо графита было решено использовать твердофазные элементы на основе молибдена, вольфрама и карбида урана. Конечно, это было не единственное, но тем не менее очень важное отличие советского вариант ЯРД. При этом правильное решение было найдено очень не сразу. Лишь к середине 1970-х годов советские специалисты из КБХА и Физико-энергетического института смогли построить работающий прототип. Стендовые испытания двигателя в Семипалатинской области не заставили себя ждать. В итоге, собранный в единственном экземпляре РД-0410 продемонстрировал удельный импульс на уровне 900 секунд. Это было в 2-2.5 раза больше, чем показывали лучшие РХД той эпохи. При этом советские конструкторы были уверены, что вскоре смогут довести этот показатель минимум до 1 тысяч секунд.
3. Почему ЯРД до сих пор не используются?
Перспективы – огромны.
Потому что их нет. В годы холодной войны американцы свою программу закрыли на фоне сокращения финансирования NASA. В Советском Союзе программа ядерных двигателей «Иргит» так же столкнулась с дефицитом финансирования. С приходом 1980-х годов тема ЯРД стала сходить на нет. С одной стороны – нарастающие экономические проблемы. С другой – отказ от этой темы американцев. С третьей – новый виток переговоров об ограничении ракетных и ядерных вооружений между СССР и США.
Были и чисто технические проблемы в создании серийного ЯРД. Прежде всего это банальная сложность и дороговизна таких двигателей. Была и проблема сравнительно низкого КПД из-за чего немалая часть ядерного топлива использовалась впустую. Наконец, внедрение ЯРД ставило целый комплекс на тот момент (да и сегодня) нерешённых проблем для ракетных конструкторов. Например, экранирование экипажа и груза от ядерного топлива, а также проблема безопасности самого хранения топлива в таком виде, чтобы случайно не произошла цепная реакция.
Ведутся ли новые разработки – не известно.
В 1990-е годы часть документации по проекту «Иргит» была рассекречена. Однако, в целом работы в области ЯРД остаются в России крайне секретной темой. Ведутся ли работы сегодня и если да, то насколько интенсивно – сказать сложно. При этом с 2010-х годов разработкой ЯРД активно занимаются США и Китай. В NASA неоднократно заявляли о том, что глубоко изучают советский опыт по этому направлению, насколько это позволяют открытые источники.