Текст книги "Последний космический шанс"

1.4. Атомная утопия

Как обычно пишутся популярные книги о космонавтике, рассчитанные на любознательных профанов? Примерно так.

В первой главе дается краткое описание устройства Солнечной системы в рамках тех сведений, которыми располагал автор на момент написания. Далее обычно следует рассказ о предыстории идеи космического полета с неизбежным упоминанием космического монгольфьера Эдгара По, лунной пушки Жюля Верна, антигравитационного кейворита Герберта Уэллса и, конечно же, ракетных связок Сирано де Бержерака. Затем идет история открытия Константина Циолковского, который в конце XIX века нашел техническое средство выхода в космос – ракеты на жидком топливе. А в четвертой главе вводится понятие космической скорости – т. е. скорости, до которой нужно разогнать груз, чтобы он улетел за пределы Земли (первая космическая скорость – 7,9 км/с), вышел в межпланетное пространство (вторая космическая скорость – 11,2 км/с), покинул Солнечную систему (третья космическая скорость – от 16,6 км/с до 72,8 км/с в зависимости от направления относительно Земли). Иногда к этому перечню добавляют скорость покидания Галактики (четвертая космическая скорость – около 550 км/с, если стартовать из района Солнца), однако точная величина ее неизвестна, поскольку зависит от множества факторов, которые мы еще не научились учитывать. При этом возникает эффект, который вряд ли замечают сами популяризаторы: читатель начинает думать, что достижения перечисленных скоростей достаточно для космического путешествия. А современный читатель еще и смутно помнит, что на орбиту без особых проблем летают больше пятидесяти лет, на Луну когда-то высаживались американцы, по Марсу бегают планетоходы, а какие-то аппараты улетели за пределы Солнечной системы. То есть в голове складывается четкая картинка: у нас уже есть в наличии транспортные средства, позволяющие «взять» первые три космические скорости, а в четвертой пока и нужды особенной нет. Возникает вопрос: почему же до сих пор наши космонавты «топчутся» на низкой околоземной орбите? Наверное, глупая случайность, а может быть, враги всего советского постарались!

Специалистам правильный ответ был очевиден еще при жизни Константина Циолковского. Очевиден он был и самому основоположнику, хотя он с оптимизмом верил, что потомки найдут решение всех проблем. Для запуска искусственного спутника Земли и впрямь достаточно первой космической скорости – потом этот спутник, отработав заложенный инженерами ресурс, сойдет с орбиты за счет естественного торможения в высших слоях атмосферы и сгорит. Первые космические корабли «Восток» и «Восход» были по сути теми же спутниками (их так и называли «космический корабль-спутник»), то есть их разгоняли до первой космической, а потом сводили с орбиты выдачей тормозящей струи газов в направлении против движения корабля. Но уже следующее поколение кораблей готовилось для полетов к Луне, а значит, они должны были свободно маневрировать на орбите, меняя ее высоту, разгоняться и тормозить, уравнивать свою скорость с орбитальной станцией. И в такой ситуации достижения одной известной скорости (хоть первой, хоть третьей) явно недостаточно, поэтому специалисты оперируют понятием «характеристической» скорости, которая складывается из всех приращений и убавлений скорости космического аппарата в процессе выполнения миссии, и в большинстве случаев эта скорость достигает пугающих величин.

В качестве примера рассмотрим случай полета космического корабля на Луну. При взлете с Земли потребуется развить скорость 11,5 км/с. Для посадки на Луну скорость корабля надо снизить на 2,5 км/с. Для взлета с Луны надо придать кораблю скорость 2,5 км/с. Для возвращения надо погасить скорость на 11,5 км/с. На компенсацию аэродинамических и гравитационных потерь добавим еще 3 км/с, столько же – на маневрирование, необходимый резерв и возможные ошибки пилотирования. В итоге получается, что для лунной экспедиции характеристическая скорость составит 34 км/с. Эту скорость можно снизить до 24–25 км/с, если возвращать корабль не целиком, а только спускаемую капсулу, использующую парашют, но все равно она очень велика. Для полетов к Марсу характеристическая скорость еще выше, даже в идеальном случае будет больше 30 км/с; для Венеры – 35 км/с.

Ракеты Константина Циолковского

Сила знаменитой формулы Циолковского в том, что она сразу дает возможность определить исходную массу ракеты, основываясь на том, какой полезный груз нужно разогнать до космических скоростей. В своей классической работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами»

Циолковский выбрал в качестве критерия достижимости ракетами небесных тел способность развить скорости, равные скорости Земли в ее движении по орбите (30 км/с). Он также показал, что даже при использовании самой легкой и высококалорийной топливной смеси (водород + кислород) масса топлива в 193 раза будет больше массы ракеты. Но теоретические ракеты Циолковского – это тот самый сферический конь в вакууме, о котором любят шутить физики. Когда речь заходит о реальной ракете, формула начинает обрастать коэффициентами, учитывающими совершенство ракеты, двигателя и т. д. Да и с водородно-кислородным топливом все непросто – символический клуб «водородных» держав, сумевших создать свой «национальный» водородно-кислородный двигатель, до сих пор намного скромнее клуба «ядерных» держав. Получается, что и 193 раза – это недостижимый идеал. Вообще говоря, одноступенчатая ракета Циолковского, которую он описал в 1903 году, при старте с Земли не способна развить даже первую космическую скорость. Основоположник быстро понял свою ошибку и к 1916 году продумал концепцию многоступенчатой ракеты, которая позволяет избавляться от лишнего груза (опустевших баков) прямо в процессе полета. Но тут возникают дополнительные проблемы. Смогут ли выдержать фермы, соединяющие ступени, динамические и термические нагрузки скоростного полета? Как организовать разделение ступеней? Как запустить двигатель второй ступени после отделения первой? На эти вопросы в первой половине ХХ века никто не мог ответить, но они, разумеется, тревожили тех теоретиков космонавтики и пионеров ракетостроения, которые пытались всерьез размышлять о межпланетных полетах. Качественный выход виделся всего один – использование энергии тяжелых элементов.

Об этом осторожно пишет Константин Циолковский уже в работе 1903 года: «Новооткрытые элементы <…> должны выделять при своем соединении несравненно большее количество энергии, чем тела, считаемые теперь условно простыми и имеющими сравнительно большой атомный вес».

В статье 1911 года он говорит о том же более уверенно: «Думаю, что радий, разлагаясь непрерывно на более элементарную материю, выделяет из себя частицы разных масс, двигающиеся с поразительной, невообразимой скоростью, недалекою от скорости света. <…> Тогда, чтобы ракета весом в тонну разорвала все связи с солнечной системой, довольно было бы щепотки радия».

Здесь Циолковский описал так называемую «псевдоракету», которая летит прямо под воздействием вырывающихся из сопла продуктов ядерного распада. Эту схему обсуждали вплоть до начала 1950-х годов, и особенно она пользовалась успехом у популяризаторов космонавтики, которые привычно не вдавались в технические подробности, описывая исключительно перспективы – т. е. возможность создания звездолета с таким двигателем. Однако конструкторы реальной техники почти сразу отказались от нее. Дело в том, что частицы вещества в таком двигателе при своем движении создают температуры в миллионы градусов, и стенки мгновенно прогорают. Чтобы двигатель был работоспособным при столь большой скорости движения частиц, нужно значительно уменьшить их число, то есть в миллионы раз уменьшить тягу двигателя, но тогда вся выгода пропадает. Куда больший интерес ракетчиков вызвало совмещение ядерной энергетической установки с электроракетными двигателями. Еще им было понятно, что разогретый инертный газ или жидкий металл куда лучше подходят для разгона в космосе, чем любое химическое соединение из горючего и окислителя. Опять же нет необходимости в окислителе, который занимает изрядную часть баков (к примеру, для сжигания 1 кг водорода нужно 8 кг кислорода). Но чтобы разогреть и, соответственно, разогнать газ или металл до реактивной струи нужен очень мощный источник энергии, и урановые реакторы могли таким источником стать.

Первый атомный ледокол «Ленин»

Возможностью использования ядерной энергии для разгона ракет интересовался Вернер фон Браун, перед которым руководство Третьего рейха поставило задачу «достать» ракетой до Америки. Не мог обойти вниманием эту тему и Сергей Королёв, хорошо знакомый с трудами основоположников ракетостроения. Надо сказать, что в 1950-е годы в мире начался настоящий «атомный» бум. Из-за обострения геополитической обстановки, вызванного «холодной» войной, атомные арсеналы СССР и США росли как на дрожжах. Кроме атомной бомбы, появилась термоядерная. В 1946 году коллектив физиков Лаборатории № 2 Академии наук СССР запустил первый «урановый котел» Ф-1. В 1954 году начала работу первая АЭС в Обнинске. В 1959 году отправился в плавание первый атомный ледокол «Ленин». Как и в случае с ракетами, большинство подробностей создания новой техники было засекречено (по этой причине в советской периодике тех лет публиковалось намного больше материалов о западных технических достижениях, чем об отечественных). Но популяризаторы и фантасты все равно охотно писали о грядущей эре изобилия, которую обеспечит «внутриатомная» энергия. Благодаря их воображению и прекрасным иллюстрациям перед профанами представал светлый чистый мир, в котором индивидуальные коттеджи освещаются и отапливаются компактными реакторами, любой транспорт (автомобили, локомотивы, самолеты и корабли) перемещается на атомной тяге, огромные климатические установки, питаемые опять же атомной энергией, растопили вечную мерзлоту и озеленили пустыни, а Солнечная система покорена ракетами с атомными двигателями. Скептикам даже не нашлось что возразить на эти утопические зарисовки – достижения физиков говорили сами за себя. Действительно, сотни засекреченных конструкторов в те годы с воодушевлением трудились над проектами атомных автомобилей (“Ford Nucleon” и “Ford Seattleite XXI” компании «Форд»), атомных самолетов (М-30 и М-60 Владимира Мясищева, Ту-114, Ту-119, Ту-120 Андрея Туполева, YB-60 компании «Конвэр»), атомных танков (американские танки TV-1, TV-8 и советский ТЭС-3) и даже атомных пылесосов (проект компании «Левит»).

Почему же все эти атомные проекты провалились? Почему даже в XXI веке атомная энергетика не двинулась дальше электростанций, военных кораблей и субмарин? На это есть несколько причин, в том числе экономического характера, но я выделю две главные, которые с экономикой не связаны (как известно, в определенные исторические периоды экономическими соображениями с успехом пренебрегают). Прежде всего перед конструкторами транспортных реакторов во весь рост встала проблема управляемости. Атомный реактор – это не поршневой двигатель и не турбина, управлять которыми можно, просто снижая подачу топлива или впрыскивая воду. Тепло рабочему

телу передается не напрямую, а через массивные теплообменники – иначе вы получите непрерывный радиоактивный факел, загрязняющий все вокруг. Из-за теплообменников образуется запаздывание в контуре теплоотдачи, и реактор трудно контролировать на переменных режимах (особенно, когда речь идет об автомобиле, любая поездка на котором состоит из непрерывной череды разгонов и торможений). А снижение мощности реактора до определенного уровня или даже небольшая остановка может привести к его «отравлению» короткоживущими изотопами (так называемая «йодная/ксеноновая яма»), что на пару суток превращает весь агрегат в смердящий радиацией и совершенно бессмысленный металлический ящик. Разумеется, эту проблему можно обойти, однажды запустив реактор на маршевый режим, а при маневрировании мощностью использовать возможности второго, рабочего, контура. Однако именно в этот момент встает во весь свой могучий рост вторая проблема.

Если вы забыли за ненадобностью школьный курс физики, то напомню, что есть понятие коэффициента полезного действия (кпд), который характеризует (в самом общем определении) эффективность системы, преобразующей энергию в полезную нам работу. Кпд не может быть больше 100 % и в энергетических машинах редко достигает 50 %. Кпд рабочего контура, который подогревается реактором, заметно ниже 50 %, и дело не в утечках и потерях на трение (они как раз невелики), а в том, что законы физики в принципе не позволяют нам использовать всю энергию рабочего цикла: значительной частью мы должны пожертвовать в ходе самого преобразования энергии. Почему-то о кпд всегда забывают популяризаторы и фантасты, но о нем никогда не забывают инженеры. Понятно, что конструктор проектирует любой агрегат под максимальный кпд, но выдержать этот максимум можно опять же только на маршевом режиме. И опять же всегда подразумевается, что на переходных режимах снижения или увеличения мощности этот агрегат будет далек от максимальной эффективности, растрачивая энергию впустую.

Итак, в атомной транспортной установке мы имеем два агрегата: реактор, который должен работать без остановок на одном и том же режиме (чтобы не упал в «йодную/ксеноновую» яму) и двигатель, который часто работает на малоэффективных режимах и не может полноценно использовать энергию реактора. Вопрос: куда деть избыточную тепловую энергию? И еще один вопрос: куда деть ту часть энергии, которую мы в принципе не можем преобразовать в ходе рабочего процесса? На атомных электростанциях эти весьма значительные доли энергии научились сбрасывать в искусственные пруды-охладители. На кораблях и субмаринах таким охладителем служит окружающий океан. С автомобилями, танками, локомотивами и самолетами возникла загвоздка – предлагалось сделать дополнительную систему охлаждения, прокачивающую сквозь кожух реактора воздух с огромными скоростями (здесь нужны очень большие скорости, потому что воздух поглощает тепло на порядки хуже воды). Но даже далекий от инженерии человек сразу поймет, что такая система будет оглушительно реветь и загрязнять все вокруг продуктами ядерного распада. Посему конструкторы, испытав несколько прототипов, убедились, что быстрого надежного решения описанных проблем на данном этапе развития техники нет, и закрыли тему.

Американский атомный ракетный двигатель «NERVA»

Нечто похожее произошло и с атомными ракетами. Поначалу к идее отнеслись с большим энтузиазмом и в Соединенных Штатах, и в Советском Союзе. Американцы запустили программу «Ровер» (“Rover”), построили компактные реакторы, работающие на водороде (“Kiwi” и “Feb”), а также двигатели NERVA (англ. – “Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application”) к ним. Все они прошли наземные испытания во второй половине 1960-х годов, причем некоторые из установок работали десятки минут на полной мощности, показав очень неплохие характеристики по мощности и тяге. Аналогичным путем пошли и в СССР: начиная с 1958 года, советские ракетчики в кооперации с физиками прорабатывали проект ядерно-ракетной ступени, работающей на аммиаке. Несмотря на большие трудности и технологические проблемы, к концу 1970-х годов удалось провести несколько испытаний прототипа двигателя РД-0410 на Семипалатинском полигоне. Примечательно, что после испытаний к шахте, куда помещался прототип, запрещалось подходить в течение месяца из-за опасности радиоактивного облучения. Теоретически американские и советские двигатели можно было довести до ума и даже испытать в космосе. Однако конструкторы, решая проблему тяги, совсем не решали другую – сброса избыточного тепла.

Здесь мне кажется уместным развенчать еще один миф, связанный с космосом и космонавтикой. В очень многих фильмах и книгах, даже претендующих на документальность, можно встретить утверждение, будто бы одной из самых больших опасностей для космонавта является опасность замерзнуть, в некоторых случаях – мгновенно, до ледышки (при разгерметизации корабля). На самом деле в космосе куда проще перегреться. В этом убедились советские ракетчики, запустившие на орбиту в ноябре 1957 года собаку Лайку. Хотя официальная версия гласила, что собака прожила в космосе не меньше недели, на самом деле она погибла на третьи сутки полета от перегрева – «Спутник-2», на котором она летела, не был оборудован системой терморегулирования. Впрочем, на следующем научном «Спутнике-3» такая система уже была организована… В чем же тут проблема? Ответ прост: в космосе нет ни воды, ни воздуха, которые могли бы отвести тепло за счет естественной конвекции, поэтому единственный способ обмениваться теплом – излучение. А Солнце, как известно, излучает колоссальное количество тепла, которое и нагревает космические аппараты. Если на орбите от солнечных лучей можно на какое-то время спрятаться в тени Земли, что делать в межпланетном пространстве? Основоположники предлагали покрывать космические корабли светоотражающим составом, но это лишь полумера – куда деть тепло, которое излучают приборы и тела космонавтов? Решение нашли: с помощью специальной системы терморегуляции, которая имеет в своем составе пластинчатый радиатор, сбрасывающий избыточное тепло за счет излучения. Именно так предполагалось избавляться от избыточного тепла реактора в ходе межпланетного полета. Но именно радиатор и затормозил внедрение атомных реакторов в космонавтике.

Возможно, вам приходилось видеть на картинках, изображающих космические корабли будущего, треугольные решетчатые крылья, напоминающие по форме бермудский парус? Профаны по незнанию полагают, что это «солнечные батареи», но не могут объяснить, почему они имеют такую странную конфигурацию. Но именно так художники изображают огромные радиаторы-излучатели, призванные избавляться от лишнего тепла. Мощность реактора велика, кпд на переменных режимах низок – следовательно, сбрасывать придется очень много.

Чтобы проиллюстрировать масштаб, вспомним недавнее прошлое. Десять лет назад в США вяло прорабатывался проект большого межпланетного зонда «Спутник юпитерианских ледяных лун» (англ. – “Jupiter Icy Moons Orbiter” – JIMO). Его двигательная установка “Herakles” должна была работать на ксеноне, снабжаемая энергией компактного ядерного реактора мощностью 104 киловатта (пятьдесят электрочайников). При этом суммарная площадь треугольного радиатора составила бы 422 м² (десять двухкомнатных квартир в «хрущевке»), а длина всего космического аппарата – 58,4 м (чуть выше трех пятиэтажных «хрущевок»). Реактор, необходимый для разгона и обеспечения нужд пилотируемого космического корабля, должен вырабатывать до 15 мегаватт, что на два порядка больше, чем, согласно расчетам, потребляла бы “Herakles”! Кстати, проект JIMO был отменен из-за его высокой стоимости (16 млрд долларов без учета цены запуска на околоземную орбиту).

Американский перспективный межпланетный аппарат «Jupiter Icy Moons Orbiter»

Надеюсь, теперь вы оценили всю грандиозность задачи, которая стояла перед создателями атомных космических ракет? И проблема защиты экипажа от радиации – лишь самая малая из технических проблем, которые предстояло решить конструкторам. Как вывести громаду радиатора на орбиту? Понятно, что никак, – надо выводить по частям. Как собрать? Как обеспечить надежность и безопасность при сборке на орбите? Сколько десятков запусков сверхтяжелых ракет потребуется, чтобы доставить все элементы конструкции? Как испытать? И так далее, и тому подобное.

Конечно же, решения можно найти, особенно сейчас, когда техника стремительно миниатюризируется. Но в 1960-е и в 1970-е годы эти решения лежали за гранью возможностей земной цивилизации. Двадцати лет, на которые надеялись участники межавторского проекта «Полет на Луну», и даже тридцати лет, которые «закладывали» братья Стругацкие, было явно недостаточно. Пилотируемая космонавтика быстро заходила в «тупик», и самые дальновидные из конструкторов, заметив это, умерили пыл. Но популяризаторов и фантастов предупредить, как всегда, позабыли, и они радостно продолжали описывать мир победившего атома. На их утопических ожиданиях и выросло поколение, которое сегодня с удивлением спрашивает: а почему земляне до сих пор не летают на Марс? Отвечать надо просто: вспомните о кпд, и тогда многие ваши иллюзии развеются.