Межпланетные транспортные системы. Часть 3. Ядерные ракеты

В ядерно-электрическом двигателе тепло ядерного реактора крутило тепловую машину, которая крутила электрогенератор. Либо генерировало электричество напрямую через термопару либо термоэмиссионный преобразователь. Но может не усложнять? Нагретое ядром рабочее тело теоретически можно сразу отправить в сопло Лаваля получив тягу. Так появились ядерно-тепловые двигатели, в советско-российской традиции называемые просто ядерными ракетными. Или ЯРД.

Засада обнаружилась практически зразу. Чтобы не улететь вместе с рабочим телом, активная зона реактора должна быть твердой. А чтобы лучше разогнать рабочее тело термическим способом рабочее тело должно быть как можно более горячим. Но ведь еще в первых ЖРД пришлось изобретать активное охлаждение камеры - температура была слишком велика. То есть мало того что в ядерном двигателе температура рабочего тела ниже чем в жидкостном, так еще и греться до высоких температур должна сама конструкция, что у ЖРД совсем не обязательно. Но выяснилось что даже на температурах, достижимых при твердой активной зоне, можно получить скорости истечения заметно больше чем у химии просто используя рабочее тело с малой молярной массой. Идеальным вариантом является водород, позволяющий достичь скорости истечения 8 (NERVA), 9 (РД-0410) или даже 10 (теория) км/с. С одной стороны не впечатляет, но с другой все-таки вдвое больше чем у лучшего ЖРД. И при этом можно было получить нормальные ускорения и использовать эффект Оберта, а не как с малой тягой ЭРД.

Главная проблема твердофазных ЯРД - слишком маленький прирост эффективности. Для полета к Луне, Марсу или Венере они нужны если принципиально не желаем использовать ISRU. А вот с использованием ISRU выясняется интересная вещь. Пока не найдено значимых запасов водорода во внутренней Системе. Так что водород для ЯРД можно получить только электролизовав воду (судя по всему, очень распространенную вещь). При этом на 1 тонну водорода производится 8 тонн кислорода. И если этот кислород сжечь в ЖРД - на единицу мощности топливного завода получится перевезти больше груза, если только нам не нужна дельта порядка скорости истечения ЯДР. Да можно ставить больше электролизеров и использовать кислород для нужд колоний. Но лишний кислород образуется и с ЖРД - в двигателях оптимальное соотношение 1 к 6, а не 1 к 8. Кислород же, как ни странно, нужен ограничено - в колонии где нет особых ограничений по массе проще посадить растения, которые его регенерируют, чем выковыривать из атмосферы СО2.

Другая проблема - низкая удельная тяга. Не настолько низкая как у ЭРД, но все же. В проекте ядерной ступени для Сатурна-5 было 86 тонн тяги при 34 тоннах сухой массы и 178 - заправленной. Очевидно что непосредственно с Земли на таком не взлететь, хотя довыводиться на НОО после того как химия выпнет на баллистическу можно. Чтобы увеличить тягу нужно увеличить поток водорода через реактор, желательно сохранив его температуру. И тут начинает маячить закон квадрата-куба - интенсивность теплообмена пропорциональна площади. Решением проблемы лишнего кислорода и тяги может быть LANTR - "гибридный" ЯРД с впрыском в сопло кислорода. Тяга при этом значительно повышается. Проблема лишь в том что скорость истечения при этом падает до 6 км/с, но можно использовать такой режим как форсажный.

Но с проблемой "чуть лучше ЖРД" в рамках парадигмы твердофазного реактора ни чего не сделать если только не найти для активной зоны материал с температурой плавления скажем 10000 К. Более реалистичных путей повышения скорости истечения из ЯРД два:

1. Выбрасывать вместе с реактивной струей часть активной зоны. При этом расходуемой части совсем не обязательно быть в твердой фазе и греть можно до скольки охлаждаемая регенеративно либо завесой стенка двигателя выдержит. Водносолевая ракета Зубрина и ядерно-импульсный двигатель сюда же. Минус способа в том что улетает ядерное топливо. И хрен бы с экологией - оно денег стоит. И при таком использовании прореагировать успевает далеко не полностью.

2. Держать газообразную (скорее уже плазмообразную) активную зону в прозрачной охлаждаемой колбе. Рабочее тело должно нагреваться излучением. Проблема в необходимости достать вещество тугоплавкое и прозрачное при нагреве и облучении и вещество растворимое в жидком водороде и не прозрачное - для улавливания излучения.

Велись исследования и по промежуточному варианту - газообразная активная зона задерживается в двигателе газодинамикой либо магнитной ловушкой. Полностью задержать уран, как в лампе, так не получится и выхлоп все еще грязный, но можно его минимизировать и не нужны материалы с чудесными свойствами. Но исследования были в основном теоретическими.

Считается что в газофазном ЯРД можно достичь скорости истечения 30-50 км/с. Как у ЭРД, но с большей тягой. Этого уже должно быть достаточно для комфортных полетов по как минимум внутренней системе (до Пояса). Как и с ядерно-электрическими двигателями с удельной мощностью достаточной для ускорения 0.01 м/с2 при запасе дельты в ~50 км/с - половина запаса дельты при этом будет достигнута примерно за месяц.