Ядерная перспектива для Starship. Часть 1
Было много дискуссий о модернизации SpaceX Starship для использования ядерных двигателей. Это позволило бы значительно увеличить удельный импульс и значительно расширить возможности Starship.
Изображение выше изменено с фотографии BocaChicaGal .
Но действительно ли это того стоит?
Ракеты с ядерными двигателями действительно обладают впечатляющими характеристиками. Их удельный импульс до трех раз больше, чем у химических ракет, они производят сравнимую тягу и могут быть спроектированы так, чтобы использовать различные виды топлива, от CO2 до аммиака. Они могут сократить время перелетов в космосе, вывозить гораздо более крупные полезные грузы и заправляться любой жидкостью, доступной в пункте назначения.
По этим причинам они считаются лучшим способом ускорить освоение космоса и экспансию человека в космос.
Это не новая технология. Идея использовать ядерную энергию для приведения в движение космических аппаратов возникла в 1944 году. Серьезные испытания были проведены на ядерных двигателях, с наземными испытаниями в 1955 году и функциональными макетами гигаваттного класса, работающих в течение нескольких минут к 1970-м годам. Стратегическая оборонная инициатива возродила исследования ядерных двигателей с помощью проекта Timberwind, которая действовала до 1991 года и привела к созданию более современных конструкций, которые были еще более мощными.
Сейчас мы находимся в процессе очередного возрождения этой технологии. Миллионы были выделены компаниям BWXT, General Atomics и Ultra Safe для возобновления разработки ракет с ядерными двигателями.
Естественно, появились призывы объединить возможности ядерных двигателей с другими великими аэрокосмическими разработками нашего времени, а именно с многоразовыми ракетами и их лидером — Starship SpaceX. Тогда мы получим возможность отправлять на орбиту и за ее пределы еще более тяжелые грузы.
Современный ядерный двигатель
Цели в отношении конструкции и характеристик ядерных силовых установок значительно изменились за последние несколько десятилетий. Первоначальные усилия 1970-х годов были просты в стремлении к максимальной мощности и максимальной тяге.
Проект Rover, например, привел к созданию проекта реактора Phoebus-2A, который выдавал мощностью 4000 МВт в течение 12 минут во время пробного запуска. Как полностью разработанный двигатель, он мог выдавать 5000 МВт с удельным импульсом 825 сек. Активная зона содержала 300 кг обогащенного урана и имела относительно низкую температуру в 2300 К (хотя цель была 2500 К). Полная масса составляла 9300 кг, что означало, что он имел впечатляющую удельную мощность 537 кВт/кг.
Ядерный двигатель Pebble Bed
Окончательной версией такого типа двигателя максимальной мощности будут реакторы Pebble Bed из проекта Timberwind времен Стратегической оборонной инициативы 1980-х годов. Самая большая версия предназначена для работы при 3000K для достижения удельного импульса 1000 сек. Мощность 12 000 МВт обеспечивала тягу 2451 кН. Удельная мощность составила колоссальные 1450 кВт/кг.
Более современные ядерные тепловые двигатели пошли в другом направлении. Каждый двигатель меньше по размеру и имеет тягу около 100 кН. Особенности конструкции используются для обеспечения надежности во время работы. Температура активной зоны реактора снижена для продления срока службы двигателя. Без надежды на использование в атмосфере, они предназначены только для вакуума с уменьшенным акцентом на удельную мощность. Вместо этого предусмотрены дополнительные возможности, такие как способность длительного производства электроэнергии.
Copernicus Mars, оснащенный тремя SNREs.
Примером может быть конструкция «Borowski SNRE», разработанная NERVA, которая обеспечивает тягу 111 кН. При работе на 2800К он достигает удельного импульса 925 с. Удельная мощность около 152 кВт/кг (504 МВт на 3300 кг).
В ближайшем будущем следует ожидать уменьшенную версию SNRE. Высокообогащенный уран (уровень обогащения 93%) будет заменен топливом HALEU с уровнем обогащения не более 20%. Всего потребуется в пять раз больше топлива для выполнения тех же задач, что и с высокообогащенным урановым топливом, или для достижения той же выходной мощности необходимо значительно увеличенное количество отражателя нейтронов для окружения активной зоны реактора. В любом случае, плотность мощности упадет.
Необходимо рассмотреть еще один аспект разработки ядерных тепловых двигателей: выбор топлива для двигателя. Практически все испытания и разработки сосредоточены на использовании жидкого водорода, поскольку он может обеспечить самый высокий удельный импульс. Однако рассматривались и другие виды топлива, особенно в контексте ISRU, когда космические корабли заправляются всем, что имеется в их месте назначения.
Наиболее важным для наших целей является выбор метана в качестве топлива. Он в шесть раз плотнее жидкого водорода, может храниться при температуре 100 К, что совместим с жидким кислородом, и его можно производить с использованием воды и углекислого газа. При высоких температурах он распадается на водород и углерод, превращая молекулы 16 г/моль в плазму 3,25 г/моль. Таким образом достигается удельный импульс, лишь немного меньший, чем при использовании жидкого водорода. Зубрин указывает его удельный импульс как 606 сек при нагревании до 2800 К или 625 сек при 3000 К.
Атомный Starship
Starship с ядерной двигательной установкой не привел бы к радикальным изменением конструкции.
Представление атомного Starship.
Это по-прежнему будет стальная бочка высотой 50 м, которая запускается сверху Super Heavy, с использованием оптимизированных для вакуума двигателей, питаемых от больших топливных баков, и набора небольших двигателей управления, оптимизированных для посадки, с закрылками для управления полетом в атмосфере. Сухая масса в финальной версии составит 120 тонн, а на посадку зарезервировано около 30 тонн топлива.
Возможно, для вас неудивительно, но мы не можем просто прикрепить ядерные двигатели к Starship и ожидать, что все заработает. Чтобы приспособить новую силовую установку, необходимо внести специальные изменения, начиная от новых точек крепления и заканчивая управляющим программным обеспечением, но мы сосредоточимся на самом важном: защите от излучения.
Форма Starship не очень хорошо приспособлена к защите от излучения ядерного двигателя. В стороны выступают большие закрылки, которые могут рассеивать излучение обратно в отсек полезной нагрузки вверху. Было бы неплохо убрать их при использовании ядерных двигателей. В конструкциях, которые изначально задумывались как ядерные, реактор или ядерный двигатель обычно размещаются максимально далеко от основного корпуса космического корабля, на конце длинной фермы или сужающихся топливных баков. Излучение, образующееся в результате реакции деления, распространяется в виде сферы во всех направлениях — если оно расположено подальше, основная часть космического корабля перехватывает меньшую его часть.
Идеальная кормовая часть космического корабля с ядерным двигателем на базе RNS.
Часть излучения, которого нельзя избежать, поглощается с помощью радиационной защиты, когда разные слои предназначены для поглощения разных типов излучения. Её размещают как можно ближе к реакторам или двигателям, чтобы создать самую широкую защитную тень, поэтому их еще называют «теневыми щитами».
Иллюстрация концепции «теневого щита».
В реакции деления в основном образуются осколки деления, гамма-лучи и нейтроны. Осколки деления — это тяжелые ионы, которые летят не очень далеко. Гамма-лучи — это проникающие фотоны, которые лучше всего поглощаются плотным материалом. Нейтроны — это нейтральные субатомные частицы с высокой скоростью; с ними лучше всего бороться, используя материал, содержащий как можно больше водорода, например воду.
Стоит цель использовать как можно меньше экранирующей массы.
Наиболее плотные элементы являются лучшей защитой от гамма-излучения, идеальным выбором является вольфрам (W) (свинец плавится слишком легко, а обедненный уран непрактичен).
Гидрид лития (LiH) — наиболее эффективная защита от нейтронов. Карбид бора (B4C) на 20% тяжелее LiH для такой же защиты, но он плавится при 3036K и представляет собой очень прочную керамику, которая идеально подходит для поверхностей, подвергающихся многократному нагреву.
Следует отметить, что некоторая радиационная защита уже встроена в реактор. Бериллиевый или графитовый отражатель внутри ядерного реактора предотвращает выход некоторого количества излучения. Десятки тонн ракетного топлива, особенно метана, также эффективно поглощают нейтроны и всегда будут присутствовать в космосе. При использовании ядерной силовой установки будет использовано гораздо большее количество топлива, что даст несколько метров защиты. Кроме того, между двигателями и жилым отделением будет расстояние в 25 метров, поэтому фактически достигает защищаемую зону только 1/625 радиации.
По разным оценкам, необходимое экранирование составляет около 440 кг/м2, что соответствует 2 см вольфрама плюс 2 см карбида бора. Сами двигатели имеют диаметр около 1 метра, независимо от того, производят ли они мощность 500 МВт или 5000 МВт, поэтому экранирование, добавляемое к каждому двигателю, составляет около 345 кг. Возможно, эта оценка оптимистична, но мы можем положиться на все ранее упомянутые средства защиты, чтобы восполнить любой недостаток. Учтите также, что эффективность защиты от излучения не является линейной, а экспоненциально увеличивается с увеличением ее толщины — уровни защиты легко регулировать.
Наконец, потребуются значительные изменения в топливных баках для ядерных ракетных двигателей. Мы бы расширили их, чтобы они занимали объем, занимаемый в настоящее время жидким кислородом. Мы не будем изменять общий объем доступных нам топливных баков для справедливого сравнения с другими версиями Starship. Если бы мы выбрали жидкий водород, нам потребовались бы специально разработанные резервуары с изоляцией и активным охлаждением. Если мы заполним ядерные ракеты жидким метаном, мы сможем использовать тот же тип топливных баков, который существует сегодня.
Баки с горючим, предназначенные для посадки, также должны быть изменены. Ожидается, что ядерный Starship будет иметь более тяжелую сухую массу, поэтому для его приземления потребуется больше топлива, а это означает, что посадочные баки будут больше.
Имея в виду все эти модификации, давайте оценим варианты в цифрах.
Конец первой части.
Во второй части рассматриваются конкретные варианты модернизации Starship.
Полный текст (весь в Пикабу не уместился)
Часть 2
