|
НАСА делает ставку на ядерные двигатели для Марса
|
|
|
|
НАСА разрабатывает способы использования ядерной энергии для доставки космических аппаратов к месту назначения. Ядерная двигательная установка может значительно сократить время полета к Марсу, возможно, уменьшив его с более чем шести месяцев до трех-четырех месяцев.
|
|
|
|
Идея ядерной двигательной установки в космосе восходит к временам холодной войны. Но НАСА более активно продвигает ее с тех пор, как Джаред Айзекман возглавил агентство в декабре 2025 года. Айзекман — известный сторонник этой технологии и говорит, что она может «по-настоящему раскрыть потенциал человечества в исследовании звезд».
|
|
|
|
В марте 2026 года агентство даже объявило о беспилотной миссии на Красную планету с ядерной силовой установкой, запланированной на конец 2028 года.
|
|
|
|
Каждый космический аппарат начинает свой путь, преодолевая гравитацию Земли, сжигая химическое топливо. Ракеты смешивают топливо с окислителем, воспламеняют их и пропускают расширяющийся газ через сопло. Согласно третьему закону Исаака Ньютона, когда газ толкает вниз, ракета получает равное толкание вверх.
|
|
|
|
Химическая двигательная установка мощна, надежна и, попросту говоря, единственный практический способ преодолеть земное притяжение. Но она имеет серьезное ограничение. Ракеты должны нести как топливо, так и, в большинстве случаев, окислитель, необходимый для его сжигания.
|
|
|
|
|
|
|
Это означает, что большая часть массы ракеты при запуске приходится на топливо, а не на полезную нагрузку. Чем длиннее и амбициознее путешествие, тем больше топлива требуется и тем тяжелее становится ракета.
|
|
|
|
Марс находится достаточно далеко, поэтому длительное время полета, угроза для астронавтов от космического излучения, масса, необходимая для размещения систем жизнеобеспечения, и ограничения на обратном пути — все это создает серьезные проблемы при планировании миссии.
|
|
|
|
Именно поэтому инженеры продолжают искать более экологичные альтернативы химическим ракетам.
|
|
|
|
Две технологии
|
|
|
|
Программа НАСА по ядерным двигательным установкам в космосе различает два основных подхода: тепловую и электрическую двигательные установки.
|
|
|
|
Ядерная тепловая двигательная установка работает в три этапа. Во-первых, ядерный реактор внутри двигателя расщепляет атомы урана, генерируя огромное количество тепла. Во-вторых, жидкий водород прокачивается через активную зону реактора, где он мгновенно закипает и расширяется, превращаясь в газ высокого давления. В-третьих, этот перегретый газ выбрасывается из сопла с высокой скоростью, чтобы толкать космический аппарат вперед.
|
|
|
|
По данным Министерства энергетики США, ядерная тепловая двигательная установка может сократить время полета к Марсу до 25% и, что более важно, ограничить воздействие космического излучения на экипаж. Она также расширит стартовые окна, в которых космические аппараты смогут реально совершить полет к Марсу.
|
|
|
|
Это зависит от выравнивания Земли и Марса, которое происходит каждые несколько лет. Большая гибкость в отношении стартовых окон позволит астронавтам прерывать миссии и возвращаться на Землю в случае необходимости.
|
|
|
|
Ядерная электрическая двигательная установка, с другой стороны, использует ядерный реактор для выработки электроэнергии. Это приводит в действие двигатель типа ионного, который ускоряет заряженные атомы (например, ксенон) из сопла. Если ядерная тепловая двигательная установка — это скоростной подход, то ядерная электрическая двигательная установка — это марафонский вариант. Ядерная электрическая двигательная установка производит очень низкую тягу, но может работать непрерывно в течение многих лет.
|
|
|
|
Эта экономичная технология идеально подходит для отправки роботов-исследователей или тяжелых грузов (таких как жилые модули и запасы продовольствия) на Марс за несколько месяцев до прибытия людей. В дальнем космосе небольшая тяга, приложенная в течение длительного времени, может иметь огромное значение.
|
|
|
|
Химическая ракета — это как мощный толчок. Ядерная электрическая двигательная установка больше похожа на постоянное прикосновение к плечу.
|
|
|
|
Она может облегчить перемещение тяжелых грузов в дальнем космосе, обеспечить обильное питание на борту и оставаться эффективной вдали от Солнца, где энергия, доступная солнечным батареям, слабее.
|
|
|
|
Это основная идея миссии НАСА «Космический реактор-1 Свобода». SR-1 Freedom — это миссия с ядерно-электрической двигательной установкой, запуск которой НАСА планирует на декабрь 2028 года.
|
|
|
|
Это будет первый межпланетный космический аппарат с ядерным двигателем. Он отправится на Марс, чтобы доказать, что ядерная энергия может обеспечить устойчивое и высокоэффективное электроснабжение, необходимое для путешествий в дальний космос.
|
|
|
|
По прибытии на Марс, примерно через год после запуска, ожидается, что SR-1 Freedom выведет на орбиту полезную нагрузку Skyfall — набор небольших вертолетных дронов, которые будут исследовать поверхность Марса.
|
|
|
|
НАСА заявляет, что миссия позволит создать ядерное оборудование, которое можно будет использовать в других полетах. Она также может создать нормативный прецедент и активировать промышленную базу для будущих систем, основанных на ядерном делении.
|
|
|
|
Для пилотируемых исследований сочетание ядерно-электрической и ядерно-тепловой двигательных установок очень привлекательно. Поскольку ядерно-электрическая двигательная установка невероятно экономична, она может перемещать огромные грузы (жилые модули, запасы продовольствия на годы, марсоходы и системы жизнеобеспечения), используя очень мало топлива.
|
|
|
|
Возможно, не так уж важно, если доставка груза на Марс займет более девяти месяцев. Но хрупкость нашего человеческого организма означает, что более длительное пребывание в космосе увеличивает риск развития рака от космического излучения и приводит к потере костной и мышечной массы.
|
|
|
|
Вторая из этих проблем заключается в том, что кости и мышцы не тренируются в условиях микрогравитации. Ядерная тепловая двигательная установка обеспечивает высокую тягу, необходимую для достижения Марса за три-четыре месяца, что значительно снижает эти риски для здоровья.
|
|
Крутой путь
|
|
|
|
Несмотря на очевидные преимущества, путь к стартовой площадке крут, и запуск SR-1 Freedom в 2028 году кажется невероятно амбициозным. Ядерно-электрическому космическому аппарату необходимы реактор, защита, теплоотвод, преобразование энергии, радиаторы, электрические двигатели, системы управления и отказоустойчивость. Каждый из этих компонентов миссии требует тестирования и тщательной интеграции для обеспечения их совместной работы.
|
|
|
|
Тепло реактора должно контролироваться без повреждения других компонентов. Двигатели должны надежно работать в течение нескольких месяцев. Другие факторы могут взаимодействовать таким образом, что это проявляется только при сборке подсистем космического аппарата. Если запуск SR-1 Freedom запланирован на декабрь 2028 года, у НАСА очень мало времени на подготовку миссии, которая обычно требует многолетней разработки, интеграции и анализа.
|
|
|
|
Ядерная двигательная установка более 60 лет находится где-то между инженерной реальностью и технологическим мифом — хотя физика всегда была верной.
|
|
|
|
Сложнее оказалось сделать технологию безопасной, доступной, лицензируемой (способной соответствовать нормативным стандартам безопасности) и готовой к полетам в соответствии с реальным графиком миссии. До сих пор США запустили на орбиту только один ядерный реактор — SNAP-10A, в 1965 году.
|
|
|
|
SR-1 Freedom может проложить путь для более совершенных систем. Ядерная электрическая двигательная установка не сделает полет на Марс легким. Но она может начать разрушать барьеры на пути к Марсу, и это перспектива, которая должна нас воодушевить.
|
|
|
|
Источник
|
