Химические жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) остаются единственным практическим средством доставки полезной нагрузки с поверхности Земли на околоземную орбиту (НОО). Технология ЖРД достигла совершенства, приблизив её к физическому максимуму по создаваемой тяге и КПД.
Но что насчет альтернатив? Ядерные ракетные двигатели (ЯРД), ионные, плазменные. Неужели они не могут также эффективно и безопасно заменить проверенные ЖРД?
В чём корень проблемы? Почему в 2025 году тот же новый двигатель Raptor 3 компании SpaceX, построенный по канонам 1950-х, по-прежнему выглядит реалистичнее любого «реактора-в-сопле»?
- Эта статья является самостоятельным дополнением к материалам:
Атомный импульс к звёздам: Как ядерные технологии определят экономическое будущее человечества в космосе…
Луна или Марс? Что по-настоящему спасёт человечество?
Есть три физических критерия, которые определяют параметры ракетного двигателя для земного старта и вывода полезной нагрузки на НОО.
- Отношение тяги к массе (Т/М) — главный параметр земного старта. Значение < 30 затрудняет прохождение плотных слоёв атмосферы, а < 1 делает взлёт в принципе невозможным;
- Удельный импульс (I) — мера топливной эффективности. Чем он выше, тем меньше топлива нужно, но при фиксированной мощности тяга обратно пропорциональна удельному импульсу;
- Удельная мощность энергоустановки (Т/ГВт) — сколько «железа» нужно, чтобы выдать требуемые мегаватты.
Есть и другие критерии, такие как технологическая готовность и регуляторные барьеры, но они не относятся к принципиально физическим ограничениям.
К примеру, известно, что термоядерный реактор принципиально возможен, ибо благодаря этому механизму светят звезды, но мы до сих пор не освоили управляемый термоядерный синтез. То есть технологическая готовность УТС еще недостаточна, но не принципиально невозможна.
Итак, у нас есть условно эталонный ЖРД Raptor 3 или РД‑191М, в принципе, не важно, какой ракетный двигатель брать, но для сравнения концепции многоразового космического корабля возьмем Raptor 3.
Raptor 3 развивает максимальную тягу в вакууме в 280 тонн-сил ≈ 2 746 кН (2,75 МН). Удельный импульс равен 350 с.
Оценочная кинетическая мощность (энергия в струе) Raptor 3 составляет 4,7 ГВт.
Любой рассматриваемый альтернативный двигатель будем «привязывать» либо к той же тяге (2,75 МН), либо к той же мощности (4,7 ГВт) и смотреть, что ломается первым.
Рассмотрим Ядерный ракетный двигатель (ЯРД), Плазменно-ионный (такие как Ракетный плазменный двигатель «Росатома» или VASIMR), Электро-ионный, он же Двигатель Холла, тот самый Термоядерный прямоточный из научной фантастики.
Какими характеристиками тяги будет обладать эти двигателя при сопоставимой мощности?
Как видим, мощность двигателей одна и та же, но тяга оставляет желать лучшего. Особенно у, казалось бы, термоядерного ракетного двигателя, который даже жалкие 10 тонн силы не выдаёт.
В чём тут дело?
А дело тут в топливной эффективности:
Условно говоря, для достижения одной и той же скорости полета ядерному «Старшипу» понадобится в 2,6 раза меньше топлива, чем на химическом «Raptor 3», при равных массогабаритных и прочих характеристиках. Термоядерный будет экономичнее уже в 28 раз.
Получается, что чем выше эффективность двигателя, тем меньше его тяга… Но нам-то нужна именно высокая тяга для отрыва с земли и вывода полезной нагрузки на орбиту.
Тогда пойдем от обратного, вычислим, какая должна быть мощность двигателей при сопоставимой тяге в 280 тонн-силы:
Получается, что ядерный двигатель должен выдавать 12,1 ГВт тепловой энергии для достижения схожих тяговых характеристик с Raptor 3, а термоядерный вообще почти 135 ГВт! Разница всё в те же х28 раз.
Вот и получается, что есть три фундаментальных созависимых характеристики: тяга, мощность и удельный импульс.
Нельзя создать маломощный двигатель с высокой тягой и высоким удельным импульсом.
Баланс будет смещаться либо в экономичность и эффективность, либо в тяговые характеристики.
Можно поэкспериментировать с разными рабочими телами у ядерного ракетного двигателя. Благодаря программам разработки ядерных ракетных двигателей РД-0410 и NERVA, мы имеем необходимые расчетные и экспериментальные данные:
Если скорость истечения (выхлопа) падает, то почти пропорционально растет тяга. Для ЯРД это будет идеальным вариантом, так как ему не требуется окислитель и всю ёмкость можно заполнить одним конкретным рабочим газом.
Проведем расчет:
Ооо! Вот мы и достигли и даже превзошли по тяге Raptor 3, используя в качестве рабочего тела углекислый, угарный газ, либо или азот.
Азот тут будет предпочтительнее, ибо он нетоксичный, инертный газ без цвета, вкуса и запаха. Да и атмосфера состоит на 78% из азота. Отработана технология получения и хранения азота в жидком состоянии. Вроде бы идеально. Маршевый ядерный ракетный двигатель на азоте…
Возьмем концепцию двухступенчатой ракеты Starship и заменим химические ЖРД на ядерные с рабочим телом — жидкий азот.
Характеристики ядерного двигателя:
- Тепловая мощность 4,7 ГВт;
- Тяга (уже с учётом потерь) = 3,55 МН (362 тонн-сил);
- Удельный импульс ≈ 270 с (2 649 м/с);
- Масса двигателя (масштаб РД-0410 и NERVA → 4,7 ГВт) ≈ 23 тонн.
Расчёты показывают, что потребуется как минимум 18 ядерных двигателей на первой ступени и 4 на второй, чтобы Starship оторвался от земли:
Как известно, для выхода на низкую опорную орбиту нужно набрать скорость Δv ≈ 9,4 км/с, это с учетом гравитационных и аэродинамических потерь.
1-я ступень исчерпает весь запас азота при достижении скорости в 2,65 км/с, вторая ступень добавит еще 5,11 км/с, итого суммарная скорость Δv получится 7,8 км/с.
То есть даже при нулевой полезной нагрузке имеется дефицит скорости в 1,6 км/с. Такой корабль не сможет выйти на устойчивую НОО, то есть полет будет суборбитальным.
Соответственно, полезная нагрузка на НОО остаётся нулевой, ибо как только мы попытаемся положить хотя бы 1 тонну груза, Δv упадёт ещё сильнее.
Чисто теоретически можно заменить азот на водород во 2‑й ступени, что даст необходимый прирост Δv на 1,6 км/с. Получится, корабль сможет выйти на НОО, правда, без полезной нагрузки, то есть выведет сам себя и всё на этом.
Что, если использовать жидкий CO₂? Меньшую тягу компенсируем большим количеством двигателей, зато выигрываем в удельном импульсе и расходе рабочего тела. Углекислый газ можно собирать прямо из атмосферы, тем самым сохраняя его баланс в экосистеме.
Характеристика одного ЯРД на жидком CO₂:
- Тяга 2,84 МН (290 тонн-сил);
- Уд. импульс ≈ 337 с (3 306 м/с);
- Массовый расход CO₂ — 860 кг/с.
Расчетный Δv‑бюджет и полезная нагрузка:
- Δv₁ (1‑я ступень) ≈ 3,25 км/с;
- Δv₂ (2‑я ступень) ≈ 6,39 км/с;
- Итого ≈ 9,64 км/с.
Имеем запас в 0,24 км/с. При таком запасе Δv итерационный расчёт даёт около 22 тонн полезной нагрузки, после чего Δv опускается до пороговых 9,4 км/с.
Выходит, что за ядерный Starship выведет 22 тонны полезной нагрузки, правда, в одноразовом варианте, без возврата на Землю.
Может быть, попробуем водой заправить? Тяга всё еще приемлема, порядка 237 тонн, расход же довольно низкий, а удельный импульс высокий — 412 с.
Характеристика ЯРД на H₂O:
- Тяга 2,326 МН (237 тонн-силы);
- Уд. импульс ≈ 412 с (4 042 м/с);
- Массовый расход воды — 575 кг/с.
Расчетный Δv‑бюджет и полезная нагрузка:
- Δv₁ ≈ 3,46 км/с;
- Δv₂ ≈ 7,48 км/с;
- Сумма ≈ 10,94 км/с.
При запасе 1,54 км/с по энергии, учитывая необходимость держать ускорения, максимальная полезная нагрузка достигает ≈ 129 тонн.
Уже неплохо, почти 130 тонн полезной нагрузки на ядерной тяге и воде… Жаль, выхлоп радиоактивный будет, потому чисто по экологическим соображениям применять ЯРД как маршевый двигатель на земле нельзя, ибо радиоактивно всё это добро.
Тем не менее вот расчеты по всем видам рабочего тела для ядерного ракетного двигателя. Тут я вывел именно прямое сравнение двухступенчатого Starship (плюс Super Heavy) с твердоядерными ядерными реактивными двигателями (ЯРД) типа РД-0410 и NERVA. Каждый ЯРД имеет мощность 4,7 ГВт и работает на разных видах топлива. Баки обеих ступеней Starship заполнены до отказа. Их объем такой же, как у реального варианта Starship с метаном и жидким кислородом: 4100 м³ для первой ступени и 1400 м³ для второй. В сумме это дает 5500 м³.
Как видно, в лидерах — аммиак и метан.
Их большой удельный импульс (520–640 с) плюс приемлемая плотность позволяют уложиться в объём баков и вывести на орбиту 165–185 тонн в одноразовом варианте, соответствует заявленной грузоподъёмности одноразового химического Starship (170-180 тонн).
Но опять-таки — радиоактивный выхлоп… Да и в расчётах я пренебрег весом твёрдого урана‑графита (рассчитал только для критической массы запуска ядерной реакции для поддержания выделения мощности в 4,7 ГВт на время полёта и выхода на орбиту), а также пренебрёг массой радиационной защиты, которые в совокупности могут съесть большую часть полезной нагрузки.
Starship с двигателями (Raptor 3), где вторая увеличенная ступень Starship Block 3 будет оснащена девятью двигателями Raptor 3, а увеличенная ракета-носитель Super Heavy будет иметь до 35 двигателей, где при повторном использовании планируется выводить не менее 200 тонн на орбиту.
Опираясь на данные Маска, а также на уточнённые массы двигателей со всем необходимым оборудованием для их работы, я произвел расчет вывода полезной нагрузки в одноразовом варианте Starship, то есть при полном израсходовании топлива в баках:
При установке 33 Raptor 3 на Super Heavy и блоке корабля (3 SL + 6 Vac R3) Starship Block 3 способен доставить примерно 190 тонн полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту
Что-то не выходит многоразовости при 200 тоннах у Starship Block 3. Для Block 2 заявленные 100+ тонн в многоразовом режиме выполняются, так как в одноразовом расчетная полетная нагрузка составляет 170-180 тонн. У Block 3 должно быть максимум 150 тонн в многоразовом режиме, но никак не 200 тонн. Тут либо реальные характеристики от нас скрывают, либо то, что выдают (тяга, объем баков, масса ракеты), — это уже для многоразового варианта. Но по многим причинам так тоже не всё сходится.
Тем не менее 150 тонн в многоразовом варианте — очень даже мощно, Block 3 должен полететь к 2030 году, если испытания будут проходить успешно.
В следующем материале поговорим про термоядерный маршевый разгонный блок. Возможен ли это? Вот и узнаем…
Статья является самостоятельным дополнением к материалам:
Атомный импульс к звёздам: Как ядерные технологии определят экономическое будущее человечества в космосе…
Луна или Марс? Что по-настоящему спасёт человечество?
Vkontakte
Twitter
Одноклассники
