Запрещённый приём

В прошлой части моего рассказа о сегодняшнем штурме далёкого космоса человечеством — всеми вместе и каждой страной по отдельности, меня спросили, в общем-то, об очевидном: «Если уж лететь в космос по-взрослому, то почему мы так зацикленны на этих ракетах на химическом топливе?»
Ну и, подспудно, понятное дело, прозвучало: «А нет ли у нас в запасе неких альтернатив, которыми мы можем как-то скомпенсировать дороговизну и маломощность наших пороховых и керосиновых шутих?»

Рассказываю. Можем. Но только усилия для большинства этих проектов потребуются именно что от «всех вместе», но никак не от каждого по отдельности, в рамках его собственного «лунного посадочного модуля, с преферансом и поэтессами».
Но каждый из этих проектов сулит нам доступность космоса на уровне полёта на современном аэробусе из Москвы в Нью-Йорк.
Да, дорого и непросто. Но отнюдь не невозможно.
В чём смысл проблемы гравитационного колодца Земли — я уже детально разбирал в одной из статей прошлого журнала.
Вкратце, если ещё раз вынести сюда суть проблемы, то при старте с поверхности Земли космическому кораблю надо решить сразу четыре задачи (ограничения по задаче №3 для пилотируемого и непилотируемого старта различны, хотя для вывода людей на околоземную орбиту они, в общем-то, гораздо строже).
Вот суть этих четырёх ограничений:

1) обеспечить достаточную тягу основных двигателей ракеты, для того, чтобы она хотя бы оторвалась от Земли и поборола постоянно действующую на него гравитационную помеху;
2) не разрушить конструкцию ракеты интенсивным трением о нижние слои земной атмосферы;
3) не угробить экипаж ракеты или груз чрезмерным начальным ускорением, которое позволяет хоть как-то минимизировать время действия на ракету гравитационной и атмосферной помехи;
4) ну и хоть как-то обеспечить минимально возможный расход реактивной массы на решение задач по пунктам 1-3.

Из существующих и доведенных до сколь-либо вменяемого технического и инженерного состояния систем этим условиям соответствуют ракеты на химическом топливе, в которых горючее и окислитель в рамках химической реакции реально «сгорают», обеспечивая резкое повышение температуры в камере сгорания ракетного двигателя и столь же катастрофическое расширение образовавшихся в результате химической реакции продуктов сгорания.
Поскольку камера сгорания открыта в ракетном двигателе в сторону сопла, дальше процесс уже понятен: расширяющиеся нагретые газы, ведомые градиентом давления, попадают в сопло ракетного двигателя и с помощью специально подобранной формы стенок ракетного сопла — формируют реактивную струю, которая и движет ракету в направлении, противоположном установленным соплам.
При этом, как понятно из описания, горючее и окислитель кроме выполнения функции «резервуаров энергии» ещё и выступают компонентами для создания так называемой реактивной массы — тех самых нагретых газов, которые при выходе через сопло двигателя формируют реактивную струю ракетного двигателя.

При этом, в общем-то источник нагрева реактивной массы, которым в обычных, привычных нам ракетах высвобождающаяся химическая энергия горючего и окислителя, в целом для концепции реактивного (и его частного случая — ракетного двигателя) совершенно не важен.
Нам лишь надо каким-то удобным для нас способом передать свободную энергию реактивной массе, а потом превратить её из теплового движения молекул реактивной массы в упорядоченное, кинетическое движение.

При этом, в общем-то, совершенно непринципиально, чем вы нагрели реактивную массу — сжиганием керосина в кислороде или же простым нагревом совершенно инертного гелия, например, в активной зоне ядерного реактора.
Именно по такому пути попрововали пойти в 1960-х годах американцы, когда они просто взяли — и стали устанавливать в основание реактивного сопла ракетного двигателя небольшой ядерный реактор.

Линейка американских ядерных ракетных двигателей — от первого «Киви А» и до предпоследнего, «Феб-2», вскорости после успешного пуска которого программа NERVA и была фактически закрыта.

Американская программа создания ядерного ракетного двигателя (ЯРД) продолжалась с 1952 по 1972 год, успев достичь за 20 лет впечатляющих результатов.
Первые двигатели данной программы, служившие скорее испытательными стендами, не могли бы оторвать от Земли даже свою собственную конструкцию — так, экспериментальный ЯРД «Киви А», развивавший тягу около 2 тонн, весил в сборе более 10 тонн только сам, без веса трубопроводов и бака реактивной массы, которой в случае американских ЯРД выступал жидкий водород.
А вот последние двигатели программы NERVA, в частности, показанный на рисунке «Феб-2» имел соотношение реактивной тяги двигателя (T) к его массе (W) в пределе от 3 до 4, то есть — при определённых условиях эти двигатели даже можно было рассматривать для старта космического аппарата с поверхности Земли.
Максимальная его тяга, которая была протестирована на протяжении около минуты (при полном времени отработки двигателя в 120 минут) составила 113,4 тонны.
Сухая масса стендового образца «Феба-2» составляла 34 тонны, полностью заправленный топливом он весил 178 тонн.

При этом реактивная струя нагретого водорода вырывалась из двигателя при температуре от 2000 до 3000 °C, а сам двигатель вырабатывал в этот момент тепловую мощность до 5 гигаватт (что соответствует тепловой мощности такого немаленького реактора, как ВВЭР-1000).
Удельный импульс двигателя «Феб-2» составил около 850 секунд, что почти что вдвое превышало удельный импульс лучших ЖРД на паре кислород-водород, которые могли похвастаться удельным импульсом в районе 450 секунд.
То есть, при прочих равных условиях, ракета с ЯРД затрачивала бы на то же самое приращение скорости вдвое меньше топлива, нежели ракета с ЖРД!
Например, замена кислородно-водородного ЖРД J-2 на третьей ступени лунной ракеты «Сатурн-V» позволяля бы легко поднять полезную нагрузку на НОО для этой ракеты до цифры в 154 тонны, вместо 118 тонн у стандартного «Сатурна-V»!

И, для поддержания ситуации «луносрача», подчеркну, что рабочий экземпляр «Феба-2», при минимальной доводке и модификации способный заменить J-2 на третьей ступени «Сатурна-V», был готов и испытан уже в 1967 году.
В общем, если хотите написать эпик на тему «а власти-то скрывают» — копайте в сторону проекта NERVA и его скоропалительного закрытия уже в 1972 году.

Вот достаточно обстоятельный американский ролик, который повествует о шагах американской программы разработки ЯРД по состоянию на момент пика её успехов, в районе 1968 года:

А вот похожий ролик, который рассказывает в той же стилистике и о программе создания ЯРД в СССР:

Как видите — многие идеи конструкции ЯРД были похожими у США и СССР, что и неудивительно — сходство поставленных задач определяло и сходство технических и функциональных решений.

Советский проект твердотельного ЯРД был гораздо более скромным, нежели американская программа NERVA и включал в себя только одну реализованную «в уране и в бериллии» модель — экспериментальный ЯРД РД-0410.

Советский ЯРД был гораздо скромнее своего американского «коллеги», создавая тягу всего в 3,6 тонны и весил при этом тоже гораздо меньше — около 2 тонн, но при этом имел более высокий удельный импульс — около 925 секунд.
Мощность советского РД-0410 тоже была небольшой — реактор развивал тепловую мощность «всего лишь» в 196 МВт.
Но вот его массово-габаритное совершенство было уникальным — в такой микроскопический по меркам «Киви», а тем более — «Феба» объём советские инженеры смогли уложить всё то, что американцы смогли сделать лишь на двигателе, в десятки раз более мощном и крупном.
При этом ресурс РД-0410, подтверждённый испытаниями на Семипалатинском ядерном полигоне, проведенными на полной мощности, составил более 4000 секунд (около 70 минут), что превосходило лучшие достижения американцев с графитовыми зонами своих ЯРД более, чем втрое.
Кроме того, высокий удельный импульс советского ЯРД обуславливался тем, что, в отличии от американцев, которые на «Фебе-2» не рисковали постоянно держать температуру в 3000 °C, предпочитая более комфортные условия 2000-2500 °C, советский двигатель по-честному отработал на 3000 °C все 4000 секунд (у американцев подъём температуры на их ЯРД постоянно сопровождался частичным разрушением активной зоны, что и обуславливало низкий удельный импульс их прототипов).

Важно также отметить, что испытания советского ЯРД, в отличии от длительных доводок американских двигателей по программе NERVA, которые даже в конце испытаний продолжали страдать от выноса радиоактивных элементов в реактивную струю двигателя, показали полное отсутствие радиоактивных продуктов из активной зоны реактора в реактивной струе ЯРД.
То есть — выхлоп советского ЯРД был ещё и предельно «чистым».

В общем, если резюмировать в целом тему твердотельных ЯРД, которую независимо друг от друга вели СССР и США по обе стороны «железного занавеса» — то получится, что США показал, что можно создавать двигатели мощные и обладающие соотношением T/W в пределе от 3 до 4, а СССР эти двигатели ещё и заставил работать с уникально большим удельным импульсом и на гораздо более высоких температурах.

То есть, соединив наработки США и СССР — уже к 1990-м годам вполне бы можно было создать работающий твердотельный ЯРД с мощностями, превосходящими испытанные в США и с удельным импульсом, достигнутым в СССР.

Ну а теперь, как и положенно… запрещённый приём, поскольку кадр из одноимённого фильма у нас стоит в заглавии статьи.
Встречайте: «Трамвай Фаэтона».
Приведу тут только словестное описание, благо, все расчёты уже провели до меня, а я лишь дополню картинку теми самыми гипотетическими ЯРД, которые получились у нас в результате скрещивания советского и американского опыта их разработки.

В нашем варианте — это не гипотетические, электро-воздушнореактивные двигатели, а твердотельные ЯРД.

Итак, суть «Трамвая Фаэтона».
«Трамвай Фаэтона» — это громадная ЛЭП, которую мы кратковременно поднимаем на высоту около 70 километров, поближе к заветной линии Кармана, где у нас и начинается ближний космос. И с конца этой громадной ЛЭП и уходит в космос наш космический корабль, предварительно разогнавшись на рельсах, идущих вверх и чепая энергию на разгон с самой ЛЭП.

Напомню, линия Кармана расположена на высоте в 100 километров, но уже даже на конце нашего ЛЭП наш разгоняющийся по ней космический корабль может включать свой собственный ЯРД — его энергетики вполне хватит на то, чтобы облегчить нам задачу, решённую в оригинальном анализе у уважаемого antihydrogen.

Допустим, что у нас таки есть такой ЯРД, который американцы уже почти создали для третьей ступени своего лунного носителя «Сатурн V».
Разбиение по всем ступеням «Сатурна V» есть у нас вот тут, в наглядной табличной форме. Стартуем мы, понятное дело, к той же самой Луне, и всего нам надо набрать заветные 10 600 м/с скорости.
Поскольку у нас вместо старого J-2 на водороде и кислороде на третьей ступени стоит ЯРД, то мы можем потратить где-то вдвое меньше топлива (а точнее, для случая ЯРД — реактивной массы) на вывод полезной нагрузки с оконечной станции «Трамвая Фаэтона» на траекторию полёта к Луне.

Плюс к этому, за счёт использования ЯРД мы можем и снизить требования к самому расчёту ЛЭП — на оконечной станции «Трамвая Фаэтона» нам можно иметь не 7900 м/c первой космической скорости, а всего около 6600 м/с (я просто принял данные по фактической скорости в момент разделения второй и третьей ступени «Сатурн V», коль проект ЯРД на третью ступень «Сатурна» американцы уже считали на полном серьёзе, в реальности, возможно, усовершенствованный ЯРД сможет «подхватить» вывод на орбиту и при меньшей скорости.
Это даёт нам 220 секунд разгона космического корабля при комфортных для экипажа 3g.
И длину ЛЭП для «Трамвая Фаэтона» в 726 километров, что составляет где-то 3/4 её длины в оригинальном расчёте.

Значит, сверхпроводящего кабеля нам потребуется около 1800 тонн. Кроме того, за каждую секунду в конце разгона нашего «лунного посадочного модуля с преферанссом и поэтессами» надо будет, за счёт нашей хитрости с ЯРД на самом корабле, поднимать уже не 8 километров кабеля, а всего 6.
Что, в общем-то, снижает требования по мощности на подъём такого участка кабеля с 15 до 11,25 ГВт.
Посчитать вес такого участка тоже легко: сам по себе кабель будет весить около 15 тонн, плюс даже мы будем иметь вес нашего лунного модуля и вес самих подъёмных ЯРД — в любом случае пары-тройки ЯРД с параметрами, лишь немного лучшими, чем параметры американского «Феб-2» вполне хватит на подъём кабеля, самих себя и удержание нагрузки разгоняющегося по ЛЭП лунного модуля.
Итого, вдобавок к ЛЭП имеем ещё 240-360 твердотельных ЯРД, которые обеспечивают подъём ЛЭП «Трамвая Фаэтона» на нужную высоту и в нужное для разгона время.

Выглядеть наш гипотетический лунный корабль с ЯРД  будет как гибрид перевернутого фуникулера (едущего над проводом ЛЭП), «Спейс Шаттла» (крылья и их подъёмная сила будет полезна как во время подъёма в верхние слои атмосферы, для того, чтобы не перенапрягать наши ЯРД, которые поднимают ЛЭП, так и на случай, если «лунный посадочный модуль с преферанссом и поэтессами» случайно сорвется с провода), и корабля из «Матрицы» (поскольку для замыкания цепи нам нужно как-то избавляться от зарядов, и это можно сделать с помощью термоэлектронной эмиссии, для чего потребуются раскаленные докрасна электроды площадью несколько квадратных метров, из которых в нижних слоях атмосферы будут бить молнии).

Да, понятное дело в таком варианте использования все ЯРД, кроме того, что улетает с кораблём к Луне, являются строго многоразывыми — после использования ЛЭП точно также сажается на землю и готовится к следующему пуску.
Из расходов дополнительных к оригинальному концепту (до момента изобретения электрических воздушно-реактивных двигателей) — рабочее тело (реактивная масса) для таких ЯРД.
Возможно, кстати, на них и не стоит гнаться за запредельными параметрами на водороде — а обойтись более дешёвым в получении и использовании жидким азотом, пусть даже и с потерей удельного импульса для таких поддерживающих ЛЭП твердотельных ЯРД.

В целом же, как и посчитано по ссылке, такой запуск из гравитационного колодца Земли к Луне будет стоить по электроэнергии всего 200 000 долларов, а основные расходы будут положены на создание многоразовой (по настоящему, без дураков) системы вывода грузов на околоземную орбиту — или куда угодно в близкий или дальний космос.

Из плена земного притяжения можно выбраться — и все технологии для этого, в общем-то, есть у человечества в наличии.
И да, кстати. Если мы выводим не людей, а грузы, то никто не мешает «Трамваю Фаэтона» работать и на 10g, что даёт нам 66 секунд на достижение скорости в 6600 м/c, ЛЭП сжимается у нас до 217 километров, а поддерживающих ЯРД нам надо всего около 70 штук.

Как сказал однажды астроном и писатель-фантаст Фред Хойл:  «Космос вовсе не так уж далек. До него всего час езды, если только ваш автомобиль способен ехать вертикально вверх.»

И если вы, конечно, яростно хотите туда попасть.

Оригинал взят у alex_anpilogov в Запрещённый приём.