На днях на Хабре публиковалась статья о сложностях высадки марсохода на поверхность Красной планеты. Если кратко, то рассчитать и реализовать эту высадку — чудовищно сложно. Еще сложнее организовать доставку на Марс людей — колонистов или космонатов-исследователей. Но если говорить о регулярном сообщении с Красной планетой, то проблема выходит на новый уровень.
Основная проблема — в отсутствии надежного транспортного средства. Сейчас идет подготовка ракеты и корабля от SpaceX, но до реального полета на Марс может пройти (и скорее всего, пройдет) несколько лет. Причем реактивная тяга такой ракеты образуется в результате сжигания жидкого топлива. А по мнению НАСА, ракеты на жидком топливе — не самый эффективный вид транспорта, нужны ядерные системы.
Топливо для ракет очень дорогое, а по словам представителей НАСА, для полета на Марс понадобится от 1000 до 4000 тонн топлива. Это несколько миллиардов долларов США за пуск (хотя, помнится, Маск говорил, что топливо — это всего 5% стоимости всего пуска). Правда, все сказанное относится к ракете самого агентства, которая называется Space Launch System. Она разрабатывается уже много лет, и пока что свет в конце туннеля этого проекта не появился.
Тем не менее, расчеты по полету на Марс с использованием сверхтяжелой ракеты-носителя SLS у НАСА есть. И эти расчеты показывают, что один пуск обойдется в $2 млрд. И это вроде только стоимость топлива. 10 пусков, которые нужны для отправки достаточного для основания небольшой станции полезного груза, обойдутся в $20 млрд.
По мнению представителей НАСА, более эффективный способ запуска — это ядерные ракеты.
Космический транспорт на ядерной тяге
Специалисты агентства подготовили отчет, в котором говорится, что для реализации миссии по отправке человека на Марс в 2039 году требуется именно ядерный транспорт.
«Один из ключевых моментов путешествия на Марс в том, что если мы хотим отправлять людей регулярно, то наиболее удобный путь — это как раз ракеты на ядерной тяге», — заявил Бобби Браун, представитель Jet Propulsion Laboratory.
К сожалению, в отчете не указывается конкретная технология — авторов документа и не просили это делать. В общих чертах описано, что есть два варианта — ядерная тепловая силовая установка и ядерная электродвигательная силовая установка. НАСА, насколько можно понять, отдает предпочтение первому варианту.
Ядерная система требует гораздо меньше топлива — около 500 тонн вместо 4000, уже упоминавшихся выше. Если говорить об эксплуатации такой системы, то, по мнению агентства, расходы будут ниже, чем в случае эксплуатации топливной ракеты.
И что теперь?
В отчете говорится, что если НАСА планирует использовать ракеты на ядерной тяге через 10-15 лет, то разработку соответствующих технологий нужно начинать уже сейчас. Все это несколько странно, поскольку ранее агентство очень активно продвигало идею полетов на SLS. Сейчас эту ракету-носитель предлагается использовать для полетов на Луну.
Самое интересное в проекте то, что средства на него НАСА не запрашивала, но Конгресс США все равно выделил средства. Причем в этом году агентство получило сразу $110 млн именно на исследование возможностей ядерных систем запуска.
Если НАСА решит все же развивать это направление и дальше, то средств понадобится еще больше. Тем не менее, агентство считает, что справится со всеми проблемами. «Это технологический проект, для работы над которыми и было создано НАСА, так что вся страна ждет от нас результатов», — заявил Браун.
А что Starship?
Несмотря на проблемы, топливная ракета-носитель Starship, разрабатываемая SpaceX, постепенно эволюционирует. Результаты испытаний дают надежду на то, что в течение нескольких лет ракета сможет отправить людей и оборудование на Марс.
Да, топлива понадобится много, но если рейсы станут регулярными, то компания Маска планирует создать нечто вроде промежуточной заправочной станции на низкой орбите Земли. Другие ракеты-носители станут доставлять в определенные точки горючее, которым заправят уже ракеты, отправляющиеся на Марс.
Представители НАСА при этом считают, что у проекта Маска есть все шансы на реализацию, так что два параллельных сценария полета на Красную планету — это хорошо.
Реальна ли ядерная ракета в ближайшем обозримом будущем?
Честно говоря, вряд ли. Скорее всего, этот отчет — просто чисто теоретическое изыскание, которое не получит продолжения, по крайней мере, сейчас. Дело в том, что даже с отработанной технологией двигателей на жидком топливе у НАСА проблемы.
Та же ракета-носитель SLS уже давно вызывает вопросы не только у обычных людей, но и у правительства США. Проект стоит огромную кучу денег, на проект SLS НАСА тратит в год примерно столько, сколько хватило бы на 15-20 пусков Falcon Heavy. Эта ракета отъедает весьма изрядную долю бюджета агентства, речь идет о миллиардах и миллиардах долларов.
В 2018 году НАСА попыталось рассказать о том, насколько полезной будет эта ракета. Дескать, она может выводить на орбиту «цельные грузы большой массы» за раз. Другие ракеты вроде бы так делать не могут. И все бы хорошо, но это просто слова, поскольку плана эксплуатации SLS пока нет — просто потому, что и такие вот «цельные» грузы пока выводить на орбиту не требуется.
И, повторимся, речь идет о технологии, которой уже несколько десятков лет. Да, конечно, сверхтяжелая ракета отличается от всего того, что использовало НАСА ранее, но разница не кардинальная.
А в случае ядерных ракет мы говорим о совершенно новых технологиях, которые разрабатывались ранее лишь в порядке чисто теоретических проектов. Проблемой будет даже создание относительно небольшой ракеты на ядерной тяге для полетов на орбиту. Сложно представить, сколько средств, ресурсов и времени понадобится для того, чтобы с нуля создать огромную ракету с ядерным реактором для полета на Марс. $110 млн, которые получило НАСА на проработку этого направления — просто капля в море. Полный бюджет проекта будет таким, что не то, что у НАСА, у всей страны денег не хватит.
И нельзя забывать о временных рамках — та же SLS разрабатывается много лет, сроки постоянно срываются, переносятся и т.п. И до сих пор ракета никуда полететь не может — буквально месяц назад SLS тестировали, проводя огневые испытания, но те прошли неудачно. Спустя минуту двигатели отключились из-за отказа одного из них.
Так что ядерные ракеты пока так и останутся красивой теорией. А если у Маска все пройдет хорошо, и его проект по полету на Марс будет реализован, то и необходимости в «ядерных полетах», скорее всего, уже не будет.
RomanVZ
Ядерным ракетным двигателям сто лет в обед. Не пользуются ими не потому что не могут сделать, а потому, что если во время запуска что-то пойдет не так, получится очередной Чернобыль. Можно сделать так, чтобы последствия возможной аварии были не очень тяжелыми, но всё равно ничего хорошего.
sshikov
Ну, на самом деле и потому что не могут тоже. Ядерные электроустановки — они же все малой тяги. Для вывода на орбиту это вообще не пригодно (даже если бы удалось волшебным образом решить проблемы безопасности).
Ну и потом, пусть у нас появился безопасный ядерный двигатель с удельным импульсом скажем 900 (это близко к тому, что подтверждено на реальных изделиях). Но нам же все равно потребуется рабочее тело, причем не так и мало. Импульс-то мы увеличили всего-навсего вдвое, ну пусть втрое. А формула Циолковского никуда не делась.
А рабочее тело у нас кто? Водород, видимо. Жидкий, с всеми вытекающими отсюда последствиями. А активная зона реактора при этом нагревается, и то что мы видим по экспериментальным установкам — до высоких температур (порядка 2000 градусов). Ну и куда это прикажете отводить в космосе, водород из баков испарять что-ли будем :)? В общем, тут дофига вполне реальных нерешенных проблем.
RomanVZ
Вы в Kerbal Space Program пробовали играть? Там всё очень наглядно показано, зачем нужны ядерные ракетные двигатели и какие у них проблемы, очень рекомендую.
sshikov
Вообще-то я по первому образованию ракетчик… и учился у В.П.Мишина.
RomanVZ
Вот это да, как здорово!
anonymous
Так а играть то пробовали? :)
sshikov
Мы когда-то делали такую :) Ну в смысле, не буквально такую, а скорее симулятор выведения для БР или РН. Где можно поиграться параметрами, и посмотреть, какова будет траектория, дальность и т.п. Применялась на лабораторках в курсе баллистики нашей кафедры. В 80-х годах примерно.
arheops
Греть водород?
Тоесть более длительные циклы работы двигателя, не импульсные.
Да, потеряется часть эффективности, но возможно.
sshikov
>Греть водород?
Так а я чего написал?
>>водород из баков испарять что-ли будем :)
arheops
Так до высокого давления и в двигатель его.
sshikov
Просто речь была о том, что в проектировании ЯРД есть вполне реальные проблемы, которые надо как-то решать, и не имел в виду, что решений совсем нет.
katok535
Статья вообще позорище полное, не соответствует уровню Хабра. Правда, картинки красочные, это да. И красинькие подзаголовки очень понравились — красиво.
В каментах разумные люди пишут про рабочее тело, но автор статьи не владеет такими понятиями. Про удельный импульс и теоретически достижимую разницу между ядерной тепловой и химической ракетой в этот раз не стоит и разговор заводить, надо на пересдачу вначале сходить.Стоило бы прекратить читать на
Грустно, поскольку сама тема (перспективы создания космических ракет с ядерными реакторами, их преимущества и риски) — весьма интересная. По крайней мере, для меня.
sshikov
>но автор статьи не владеет такими понятиями
Знаете, тут есть авторы (в смысле — на Хабре, и это конечно переводчики), которые считают, что тяга двигателя может зависеть от объема залитого в бак топлива. И это конечно прискорбно.
Но комменты, как обычно, бывают лучше статьи :)
Sigmund_SD
Как давно я не заходил на Хабр. Прочитав статью, и увидев положительный рейтинг просто не поверил своим глазам.
Lesage
Я вижу перспективы ЯРД на метане:
Согласно некоторым статьям, можно ожидать реальный УИ на уровне 700 секунд. Современное материаловедение смогло бы обеспечить простоту создания надёжных корпусов реакторов (помнится, рекорд на NERVA-X было 3600 секунд), которые можно было бы использовать при челночных перелётах Земля-Марс. Заправка на орбите Земли за счёт обычных химических носителей, перелёт на Марс по Гомановской траектории для грузов и по орбите с бОльшей эллиптичностью за 3-4 месяца для пилотируемых полётов (снижение получаемой дозы радиации).
Выход на орбиту Марса, используя либо импульс в перецентре, либо аэробрекинг, (надо делать расчеты, что выгоднее, жечь топливо, или тащить с собой теплозащитный щит, который к тому же регулярно менять придётся), разгрузка буксира за счёт марсианских ракет (привет, старшип), заправка метаном, отлёт к Земле.
И так по кругу. Если удастся создать ядерный двигатель с достаточным временем наработки на отказ (десятки тысяч секунд) то это будет самый дешевый способ массовой транспортировки грузов из тех, технологии для которых уже разработаны. Всё упирается в материаловедение, но, судя по последнему прогрессу в области аддитивных технологий и сплавов на базе инконеля; высокотемпературных керамик; это вполне выполнимая задача.
Lesage
Заодно, развернув корабль соплом на Солнце, а соответственно и реактором с ураном, сталью и что там ещё, можно в «тени» реактора сделать замечательное убежище от солнечной радиации. Диаметр реактора небольшой, поэтому постоянное место проживания там вряд ли удастся разместить (максимум это спальные места наверное), но в случае вспышек на солнце — самое то, что б укрыться от радиации. Конечно, не 100% защита, но хоть что-то.
Глядишь, такие меры, вкупе с искусственной гравитацией, генерируемой центробежным ускорением жилого модуля а-ля Nautilus-X, создадут достаточно приемлемые условия для массового перемещения нежных человеческих тушек на Марс, в том числе и под видом туристов (мы же не забыли про увеличение количества сверхбогатых людей с каждым годом?)
Radisto
Немалую долю космической радиации несёт галактическое излучение, которое со всех сторон приходит. Экран между жилым модулем и солнцем решит небольшую часть проблем с облучением экипажа. Хотя конечно лучше, чем совсем ничего
0serg
В период спокойного солнца — немалую, но в этот период общий уровень радиации в любом случае низок. А вот при активном солнышке когда уровень излучения возрастает до опасного галактическим излучением можно пренебречь.
В оценках опасности миссий на Марс для GSV видел оценку от 0.08 до 0.14 Sv/y. Это примерно в районе существующего лимита на долгосрочное облучение (0.1 Sv/y) но вполне позволяет летать по крайней мере ~10 лет без заметного риска.
serjmd
Источником не поделитесь? А то Сурдин в своих лекциях обещает сильный перебор по облучению при полете на Марс только в одну сторону и практически без вариантов в случае солнечной вспышки.
0serg
ЯРД тем же и хороши что охлаждение в них обеспечивает рабочее тело. Собственно греем реактором водород (а лучше гелий) и нагретый газ отправляем в сопло. Тепло преобразуется соплом в работу, остаток сбрасывается в космос — лепота. Там и тяга вполне приличная — NERVA давала больше 24 тонн. Тяговооруженность конечно все еще меньше единицы (движок весил 35т) так что для взлета её мало, но такой тяги уже достаточно для второй — третьей ступени которая летит на скорости где часть веса уже компенсирует центробежная сила а ракета может позволить себе набирать высоту по инерции со снижением вертикальной компоненты скорости. Не путайте ЯРД с космическим ядерным реактором питающим электротягу типа создаваемого сегодня а России "нуклона", вот там да, вопросов к охлаждению хватает
sved
Почему водород-то?
ЯРД почти наверняка будет в форме электростанции.
А движителем будет какой-нибудь электрореактивный двигатель, с рабочим телом в виде ксенона или какого-нибудь йода.
В открытом космосе не нужна большая тяга, самое важное — это скорее прирост импульса на массу рабочего тела.
На самом деле надо просто иметь парочку космических буксиров которые будут просто
разгонять корабли возле земли и тормозить возле марса.
Рабочее тело доставляется вместе с кораблём, а ядерного топлива хватит надолго
0serg
ЯРД — это установка с прямым преобразованием тепла реактора в движение рабочего тела. В форме электростанции — это уже космический ядерный реактор + ЭРД.
В открытом космосе там где не нужна большая тяга не нужен и ядерный реактор. Солнечных панелей хватит. Меньшая их мощность просто означает меньшую тягу. «Атомные» варианты начинаются именно там где хочется иметь все-таки тягу побольше. И ЯРД дает именно такой вариант — это достаточно большая тяга чтобы не пришлось лететь через радиационный пояс Земли неделю или разгоняться на траекторию к Марсу два месяца. Поэтому я и считаю довольно специфичным и не очень удачным вариант «нуклона», он попросту недостаточно тяговитый чтобы заметно выигрывать в чем-то в околоземном (и даже околомарсианском) пространстве у комбо «солнечные батареи + ЭРД».
Lesage
В открытом космосе крайне сложно (а если учесть необходимость небольшой массы, то на самом деле и невозможно) создать ядерную электростанцию
На Земле после турбины пар конденсируется и попадает в градирни, где вода охлаждается за счёт дальнейшего испарения и конвекции.
В космосе у вас 2 варианта охлаждать что-либо:
1. Испарение воды, как это было на Апполонах
2. Охлаждение в инфракрасном диапазоне с поверхности больших радиаторов
Первый вариант это постоянный расход рабочего тела по сути в никуда, второй требует тяжелых радиаторов. КПД наилучших ядерных реакторов ныне в районе 40%, и, даже если создать реактор мощностью 1 МВт с таким же КПД (что вряд ли реально), то придётся рассеять 600 кВт тепла. Как — непонятно.
Хотя, к примеру, такие установки были бы крайне полезны для изменения орбиты астероидов: ядерный реактор, использующий в качестве рабочего тела воду из астероида(кометы) генерировал бы и электричество, которое бы питало роботов, добывающих воду и обслуживающих «станцию», и создавал бы тягу, как ЯРД (вряд ли разумным решением было бы тащить ксенон для электрического двигателя), а излишки тепла утилизировались бы испарением льда, который мог бы использоватся для охлаждения чего там надо ещё охлаждать.
Таким путём можно за десятилетия даже при небольшой тяге (сотни тонн*сил) сдвигать с орбиты крупные (относительно) астероиды для их последующего майнинга на орбите Марса/Земли/Луны либо использования как «бомбочку» для разогрева Марса и испарения полярных шапок.
Единственный вопрос это работоспособность в режиме 24/7 в течении 10 лет ядерного реактора, совмещенного с реактивным ядерным же двигателем.
sved
Вариант 2 конечно же.
Утверждение по поводу «тяжёлости» радиаторов ещё было бы неплохо обосновать.
Lesage
Ну смотрите. Допустим, у нас имеется радиатор из алюминия, в качестве рабочего тела используется вода (можно использовать медные тепловые трубки, можно просто воду качать в трубках, это не принципиально)
Небольшое напоминание о том, что радиатор должен находится в тени (иначе это может превратится в обогреватель)
Далее, воспользуемся законом Стефана-Больцмана для абсолютно чёрного тела, а именно, мощность излучения с единицы площади поверхности абсолютно чёрного тела пропорциональна четвертой степени температуры.
Q = aT^4, где a постоянная Стефана-Больцмана, это около 5,67*10^(-8)
Итого, предположив, что наш радиатор излучает как абсолютно чёрное тело (в реальности это не так, и рассеивающая способность будет ниже), при температуре циркулирующей жидкости в среднем 350 Кельвин (около 80 Цельсий), мы имеем Q=850 ватт/м^2
Для рассеяния 600 кВт мощности нам потребуется 705 квадратных метров радиатора. Пусть толщина радиатора 5 мм, и сделан он из алюминия. Тогда нам требуется 3,5 кубометра алюминия на такой радиатор, а это 9,5 тонн.
Ко всему этому нам требуется система, которая сможет этот радиатор развернуть, насос для прокачки воды через радиатор, и прочая, и прочая.
Итого 9500 кг это для идеального случая, для реальных показателей спокойно можно умножать надвое. К тому же надо не забывать, что КПД 40% это для реакторов мощностью более 1 ГВт, что будет при уменьшении в 1000 раз, я сказать не могу, но могу предположить, что КПД вдвое снизится.
sabaca
Поэтому реакторы для космоса проектируются высокотемпературные. Температура холодильника-излучателя 500 — 800 градусов.
Lesage
На натрии? Можно, но кажется там проблемы с надёжностью были…
sved
Вы почему-то загнали конструкцию радиатора в жёсткие рамки, но оптимальная конструкция ещё не разработана.
Быть может, это будет прокатываемая металлическая лента или надутый тор через который циркулирует газ или капельный холодильник, а может что-то ещё.
Lesage
Я исхожу из того, что существует прям сейчас и может быть протестировано и отправлено в полёт в течении пары лет, при желании
так-то можно и на тему ТЯРД пофантазировать, или успеха VASIMR, но практика показывает что ничего лучше NERVA пока не придумали для межпланетных перелётов больших аппаратов.
minusnaminus
Запускают же спутники, АМС и роверы с ядерными источниками питания, чем ядерный двигатель страшнее? На самом-то деле, куда большая проблема поднять и сохранить на орбите рабочее тело — водород. Вот только непонятно зачем вообще. Доставить флаг на Марс? В отсутствии соревнования двух систем — просто никому не надо
RomanVZ
В роверах и большинстве спутников РИТЭГи, а не ядерные реакторы.
minusnaminus
Ядерный двигатель что-то среднее между реактором и РИТЭГом, топливо в общем-то тоже
saga111a
Разница огромная. Отличия в самих веществах, продуктах распада, объемах и способах установки. РИТЭГу не надо сложных систем для работы, а вот реактору надо. Проблеме в сложной системе возникнуть намного проще.
Как обращаются с ритэгами и к чему приводят их падения, разборы отлично прописано на вики в главе про инциденты. Последствия минимальные. А вот небрежность с ядерными реакторами куда более катастрофична
BobbieZi
Не всем реакторам нужна сложная электроника.
к примеру реактор KiloPower обходится вообще без регулирующих элементов в принципе. т.е. он стабилизирован на физических принципах
saga111a
пока не реализован
Проблема простая — развал ритэга приводит к развалу ритэга. А вот развал реактора может привести к взрыву. В ритэге идет просто распад — не управляемый. В реакторе управляемая ядерная реакция, т.е. он то больше то меньше дает энергии, тут и проблема что нарушение может привести к выработке «слишком лишнего»
Lesage
Современные реакторы строятся с учетом того, что б при развале глохнуть. Почитайте про отрицательную реактивность.
arheops
У ритега рабочего вещества в лучшем случае паро кило. И оно не такое уж активное.
saboteur_kiev
Ядерный двигатель нужен не для выхода в космос, а на полет от Земли до Марса. Поэтому ядерные двигатели могут быть у той ступени, которая будет активирована уже за пределами атмосферы. А в этом случае, взрываться будет нечему.