Почему до сих пор не создан ядерный двигатель для ракет-носителей? В чем главная сложность?

Главная сложность в этом деле — возможный большой ущерб при разрушении ядерных двигателей ракеты-носителя.

Однако работа над созданием таких двигателей велась. Из практических воплощений ядерных ракетных двигателей (ЯРД) дальше всего, то есть до практических испытаний разного уровня, продвинулись два проекта: советский РД-0410 и американский NERVA. Их пустотная тяга составляла 3,59 тонны и 34 тонны.

РД-0410 планировалось использовать в качестве двигателя орбитального буксира. NERVA, с большей почти на порядок тягой, создавался как двигатель крупной третьей ступени, используемой в модернизированной ракете-носителе Saturn-V. Диаметр ступени составлял 10,6 м, длина: 43,7 м, масса заправленной ступени 178 тонн.

Оба двигателя не дошли до стадии летных испытаний, их программы были свернуты в конце 1970-х (NERVA) и 1980-х (РД-0410). Объединяет оба проекта то, что работа ЯРД предусмтривалась в условиях космического пространства, уже далеко от поверхности Земли — то есть на Землю эти ЯРД не должны были попасть никогда (третья ступень ракеты-носителя Saturn-V могла не возвращаться на Землю, улетая, например, на Луну в основной схеме лунных экспедиций).

Однако для старта ракеты-носителя и работы ее первой ступени нужна гораздо большая тяга, чем в примерах выше — несколько сотен или даже первые тысячи тонн. Для такой тяги нужно намного больше ядерного материала, чем в РД-0410 и NERVA. А интенсивность ядерных реакций для нагрева большого расхода рабочего тела даст намного больший поток проникающего излучения — нейтронов и гамма-квантов. Это сильно увеличит массу радиационной защиты двигательной установки.

1. Аварийный полет ракеты. При космических запусках, к сожалению, нельзя полностью обнулить вероятность аварийного пуска. Такая сложная техника, как ракеты-носители, может отказать на любой высоте по самым разным причинам. Старт может стать аварийным и по причинам, не связанным с ракетой-носителем — например, из-за погодных условий или ошибок обширной наземной части, образующей вместе с ракетой единый ракетно-космический комплекс.

В случае аварийного полета разрушение ракеты в воздухе и/или при падении на землю обычно не наносит большого ущерба. Подрыв ракеты в воздухе является плановым способом прекращения аварийного полета. Компоненты топлива при этом сгорают, а несгоревшие остатки развеиваются до безопасных концентраций.

При оснащении же ступени мощными ядерными двигателями подрыв в воздухе, в случае разрушения двигателей, может дать совсем другой ущерб — высокорадиоактивное облако. Учитывая относительно большое количество ядерного материала, нужного для тяги первой ступени, это облако вызовет серьезное и длительное заражение местности, на которую выпадут радиоактивные осадки. При переносе ветрами облако даст протяженный радиоактивный след на земле, который может охватить большие населенные площади, простирающиеся далеко за зоны отчуждения космодрома. Так может повториться Чернобыльская катастрофа, или в меньшем, или даже, не исключено, в большем масштабе.

2. Штатное падение отработавших ступеней ракеты. Тоже наносит ущерб точке падения, при химических двигателях незначительный. Вокруг места удара в землю разлетаются несгоревшие остатки топливных компонентов, в том числе невырабатываемый остаток топлива («в ноль» баки не опустошаются никогда), и остатки в топливных магистралях и головках двигателей. Зараженную ими почву собирают и вывозят вместе с остатками ступени.

Но если в составе отработавшей ступени упадут ядерные двигатели с интенсивно поработавшим ядерным топливом, картина может стать совсем другой. Ведь работавшее в реакторе топливо наиболее радиоактивно и опасно; его активность увеличивается в тысячи и десятки тысяч раз по сравнению с неработавшим топливом. А возможный пожар в точке падения поднимет в воздух эту радиоактивность и разнесет на большие расстояния. Заражение перестанет быть локализованным в этом месте. Поэтому падение отработавшей первой ступени с ЯРД в штатной зоне отчуждения может дать последствия, не сопоставимые с падением ступени с химическими двигателями.

Вторая ступень обычно сгорает и разрушается при входе в атмосферу. Это может дать либо распыление ядерного топлива в воздухе, либо картину финального падения высокоактивных ядерных материалов, описанную выше.

А если обе ступени будут многоразовыми и выполняющими штатную посадку без разрушения, то они все равно, как сложные технические системы, имеют вероятность аварийного приземления.

Сегодня пока нет эффективных способов противостоять последствиям широкого распространения радиоактивных материалов при аварийном прекращении запуска или штатном падении отработавшей ступени. Падение на землю ступени с ЯРД (по любым причинам) также может сделать заражение местности не локальным, а широким. Последствия такого падения могут быть катастрофическими.

3. Авария двигателя. Наконец, может оказаться аварийной работа самого ЯРД. Температуры нагрева рабочего тела порядка 3000°С близки к предельным рабочим температурам конструкционных материалов двигателя. А высокая скорость потока рабочего тела и очень короткое, миллисекундное время его разогрева до рабочих температур требуют очень точного и быстрого управления валом тепловой энергии, выдаваемой реактором. Небольшие ошибки управления теплообменом могут за сотую долю секунды поднять температуру ядерных тепловыделяющих элементов до их разрушения. Тогда ядерное топливо попадет в реактивную струю, заражая стартовое сооружение и окрестности.

Решение большого и сложного комплекса задач предотвращения таких последствий становится частью разработки ЯРД для ракет-носителей. Это выводит объем работ и стоимость разработок далеко за рамки одной лишь задачи создания эффективной ядерной тяги.

Экономический выигрыш от высокого удельного импульса ЯРД будет нивелироваться тоже высокими (или даже перевешиваться более высокими) затратами, связанными с ликвидацией радиоактивного ущерба при штатных и нештатных пусках. При этом, скорее всего, лишь один аварийный пуск ракеты-носителя с ЯРД полностью прекратит его дальнейшую эксплуатацию.

Поэтому сегодня создание ЯРД для ракет-носителей оказывается сложнее, длительнее и затратнее разработки химических ракетных двигателей — за счет большой добавочной части, не связанной с созданием реактивной тяги. Эта часть отягощает разработку, отнимая много ресурсов и смещая целесообразность в сторону более безопасных химических ракетных двигателей. Что мы и наблюдаем сегодня: множество широких по диапазону характеристик разработок химических двигателей для ракет-носителей, и практически полное отсутствие работ по ЯРД для них же.