«Нуклон» глазами дилетанта
Не будучи хоть в малой степени спецом по космической технике, все же попытаюсь понять: что означает фактическое прекращение работ по программе «Ядерная энергодвигательная установка мегаваттного класса»? Равно как и начало исследования по громко анонсированной в СМИ программе «Нуклон»?
Для краткости назовем первую программу – «Программа 1», а вторую – «Программа 2».
Программа 1
Как оценить смену направлений? Это шаг вперед или временное отступление?
Причиной стало прослушивание некоего господина, выступившего на программе канала «Звезда» и представленного в качестве эксперта. Сей «эксперт» уверенно поведал, что «Нуклон» сможет долететь до Марса за пару месяцев потому, что-де в космосе можно двигаться с любым ускорением, поскольку там нет воздуха.
От такого перла я несколько ошалел. Потому что законы физики не в состоянии отменить даже наши законодатели: даже при том, что среди них есть физически одаренные личности вроде Валуева, Хоркиной или Родниной.
Давайте примем за данность, что любая из этих программ в случае успеха даст России колоссальные новые возможности в космосе: изучение Луны и дальних планет. Мониторинг атмосферы и океанов. Разведка. Уборка космического мусора. Корректировка орбит спутников. При необходимости размещение космического оружия.
Думаю, что создание автоматических, а не пилотируемых аппаратов также является достоинством, а не недостатком: автоматические приборы сейчас работают в космосе лучше, чем люди. Им не нужна система жизнеобеспечения, время на сон, защита от радиации… Да и вообще, планы вроде колонизации Марса кажутся вредной и утопической идеей.
В некоторых случаях я привожу не литературные, а свои расчетные данные. И прошу мне верить: как-никак, а аналогичные оценки выполняю пятый десяток лет в силу профессии.
Итак, начнем с рабочего тела. В обоих случаях это ксенон. Судя по публикациям, его потребуется десять тонн на одну заправку.
Почему именно ксенон? А потому, что это абсолютно коррозионно не агрессивное вещество с высокой плотностью (более 2 тонн на кубометр) с низким потенциалом ионизации. И потому удобное для работы в электроракетном двигателе, сравнительно высококипящее.
Его добывают из воздуха при сжижении и разгонке на азот и кислород. В одной тонне воздуха содержится примерно 0,39 г ксенона, и потому он очень дорог. Для получения 10 тонн ксенона потребуется перевести в жидкое состояние и перегнать не менее 25 миллионов тонн воздуха! Есть ли в России необходимые мощности, или придется строить новые с нуля?
В 2009 году цена ксенона составляла около 20 евро за литр газообразного вещества при стандартном давлении. Вряд ли ксенон за 9 лет подешевел, инфляции подвержен и евро.
Литр газообразного ксенона весит около 5,85 г. Отсюда несложно оценить цену заправки аппарата: 34 миллиона евро в ценах 2009 года. На нынешний рубль это означает три миллиарда. Многовато.
А куда можно долететь на этой заправке? Неужто на Марс, как нам обещают?
Давайте посчитаем.
Программой 1 предполагалось использование ионного двигателя ИД-50 в сочетании с источником питания мощностью 1 МВт.
Характеристики двигателя ИД-500: тяга 0,75 Н, потребляемая мощность 35 кВт, удельный импульс 7000 с (70000 м/с). Видно, что в состав аппарата может войти до 20 движков с общей тягой 15 Н.
Из первого закона Ньютона следует, что такая тяга позволяет аппарату массой 50 тонн обеспечить ускорение 0,0003 м/с/с. При таком ускорении в отсутствии притяжения других тел скорость может вырасти на 1 км/с за 38 суток, на 10 км/с – за год.
Среднее изменение скорости за год составит 5 км/с, а пройденное расстояние – 157 млн км.
Вроде бы много, вдвое больше расстояния до Марса. Но…
Но фишка в том, что влияние массивных тел никто не отменял. До орбиты Луны аппарат будет раскручиваться 180 суток, преодолевая земное притяжение. Он его и дальше будет преодолевать, хотя и чрезвычайно ослабленное. И солнечное притяжение тоже.
Далее, не следует забывать, что аппарат должен тормозиться при подлете к Марсу и переходе на его орбиту. А тормозить ничуть не легче, чем разгоняться.
К тому же, лететь по прямой не удастся – это будет весьма замысловатая траектория. Так что смело можно отвести на полет к Марсу – года полтора.
Но зато можно будет доставить тяжеленный посадочный модуль с кучей оборудования, а может быть, и с возможностью старта с планеты с пробами грунта для последующей отправки на Землю.
Следует отметить, что чем дальше летим, тем больше преимущества перед химическими ракетами. Причина в том, что ускоряться можно длительно. Кстати, а насколько длительно?
На сколько хватит запасов ксенона при максимальной тяге?
Тут надо бы вспомнить, что удельный импульс совпадает со скоростью истечения продуктов из сопла. Отсюда, нетрудно рассчитать расход ксенона при тяге 15 Н:
F=d(mV)/dt
F=15 Н, V=70000 м/с, t=1 c.
Отсюда, m/t=F/V=0.00021 кг/с = 0,21 г/с.
Этого хватит на полтора года непрерывной работы двигателя и достижения предельной скорости 15 км/с.
Здесь кто-то может упрекнуть тем, что вместо расчета по формуле Циолковского использован расчет «в лоб». Но масса рабочего тела в электротранспортной системе невелика, каких-то 20% вместо 95, так что не сильно и ошибемся.
Не нужно говорить, что-де «Пионер» разогнался аж до шестидесяти: там скорость достигнута за счет сложных гравитационных маневров у Юпитера и Сатурна. Но важный вывод: ни о каких полетах к внешним планетам за два месяца, как о том написано во многих источниках, говорить не приходится.
Программа 2
А что же «Нуклон»?
А вот что.
Судя по публикациям, мощность, идущая на питание движков, в «Нуклоне» составит 0,45 МВт при той же массе всего аппарата с полезной нагрузкой, что и в Программе 1.
Реактор и радиаторы, похоже, оставлены те же. А вот вместо газотурбинной установки с электрогенератором будет использован термоэлектрогенератор.
Видать, что-то не срослось с машинной технологией преобразования энергии. Но КПД термопреобразователей пониже, отсюда и снижение электрической мощности вдвое.
При использовании ионных движков тяга, а соответственно, и ускорение, упадет в таком случае вдвое – до7,5 Н и 0,00015 м/с/с. Это несуразно низкие значения. Потому-то, вероятно, ионные двигатели и заменили на плазменные типа СПД-290, у которых хорошая тяга (1,5 Н при потребляемой мощности 30 КВт).
Таких двигателей может быть установлено до 15 шт., суммарная тяга составит 22 Н (больше, чем в Программе 1), но удельный импульс 3000 с (30000 м/с), т.е. в два с лишним раза меньше, чем с ИД-500. Соответственно, удельный расход ксенона вырастает в два с хвостиком раз, максимальный разгон в пустом космосе снижается до 7 км/с. И преимущества над «химией» по продолжительности полетов к дальним планетам утрачиваются – если не прибегать к гравитационным маневрам.
Правда, остается великолепная энерговооруженность и грузовместимость: десять тонн в дальний космос ни одна из существующих ракет не потянет.
Каковы же перспективы?
Как ни странно, но Программа 2 может облегчить и пилотируемые миссии к Луне. Нет, «Нуклон» не повезет космонавтов, но сможет по частям доставить на лунную орбиту взлетно-посадочный модуль и топливо. А это позволит обойтись без безумно дорогих сверхтяжелых ракет.
Вряд ли удастся в обозримом будущем существенно повысить удельную энергетику реактора. Также и радиаторы надолго останутся массивными. А уж их габариты и вовсе не уменьшить никакими ухищрениями: закон Стефана-Больцмана не запретишь.
Но вот улучшить характеристики двигателей ничто не запрещает, как и уйти от дорогущего ксенона к дешевым литию, йоду, криптону. И такие работы идут.
Так же, как наверняка продолжатся работы по машинному получению электроэнергии, либо повышению КПД термоэлектрогенераторов.
Итог
«Нуклон», безусловно, шаг назад по сравнению с Программой 1.
Но этот шаг позволяет освоить то, что наработано успешно в рамках программы 2, и двигаться вперед.
Так что космос (и дальний, и ближний) будет наш.
Информация