Ядерные и солнечные электрические ракеты – наиболее вероятные претенденты на то, чтобы заменить собой химические ракеты. Идея таких систем очень проста. Источником тепла является либо ядерный реактор, либо параболическое зеркало для фокусировки солнечных лучей. Жидкость нагревается до очень высоких температур, превращаясь в ультрагорячий газ, который затем вырывается из сопла ракеты, создавая тягу. Другими словами, тепловая ракета – это просто летающий паровой котел. Производительность таких систем ограничена главным образом максимальной температурой, которую может выдержать материал двигателя, и, как полагают, она близка к 2500 °C. Самая высокая скорость истечения и, следовательно, максимальный удельный импульс, получаемый такой ракетой, будут обеспечиваться топливом, имеющим минимально возможную молекулярную массу. Поэтому предпочтение отдается водородному топливу. ЯР или СТР с использованием водородного топлива может достичь удельного импульса в 900 секунд (скорости истечения в 9 километров в секунду), это вдвое больше, чем у лучших водородно-кислородных химических ракетных двигателей.
Такие тепловые ракеты – это не просто теория. В 1960 году в США разрабатывали программу под названием NERVA (сокр. от nuclear engine for rocket vehicle applications, что переводится как «ядерный двигатель для применения в ракете-носителе»), в рамках которой построили и провели наземные испытания около десятка модификаций ядерных ракетных двигателей, развивающих от 10 000 до 250 000 фунтов тяги. Эти двигатели действительно работали и действительно давали удельные импульсы более 800 секунд, что превосходит самые смелые мечтания любого разработчика химических ракет. Вернер фон Браун планировал использовать ЯР в качестве двигательных установок для пилотируемого полета на Марс, который НАСА надеялось осуществить после миссии «Аполлон» в начале 1980-х годов. Но, когда администрация Никсона отменила марсианские планы НАСА, программа NERVA тоже пошла прахом. Двигатели никогда не проходили полетных испытаний, а наземные полигоны остались ржаветь. Многие ветераны программы NERVA все еще работают где-то рядом, хотя большинство из них уже вышли на пенсию. Даже сейчас, когда я пишу эту главу, их бесценный опыт по работе с такими системами испаряется. Тем не менее теперь мы знаем, что их возможно создать.
В период, когда ИИК еще была жива, группа сотрудников НАСА во главе с идейным вдохновителем (но не руководителем) доктором Стэном Воровски из Космического исследовательского центра имени Льюиса НАСА (теперь он носит имя Гленна) в Кливленде предприняла попытку возродить американскую программу исследования и разработки ЯРД. Эта попытка, которую я энергично поддержал, столкнулась со многими препятствиями в политической среде, не последним из которых был тот факт, что чрезмерная оценочная стоимость ИИК убедила Конгресс не тратить ни копейки ни на что, с ней связанное. Также были и другие проблемы. В 1960-е годы движение против ядерной энергетики еще не оформилось в серьезную политическую силу, и испытания ЯРД под открытым небом были обычной практикой, при этом потенциально радиоактивный выхлоп извергался прямо в воздух полигона в Неваде. Сейчас ничего подобного не разрешили бы. Современные испытания ЯРД должны проходить внутри закрытых объектов, содержащих поглотители, которые устранят все радиоактивные продукты из выхлопных газов перед выпуском их в окружающую среду. В зависимости от размера ЯРД полигон может быть очень большим и стоить очень дорого – порядка миллиарда долларов, а также необходимы разрешения экологов, которые способны задержать проведение программы на многие годы. Был потрясающий полигон под названием LOFT, уже сертифицированный Национальной инженерной лабораторией Айдахо, который при незначительных изменениях можно было бы использовать для тестирования небольшой ЯРД примерно с 15 000 фунтами тяги. Это позволило бы сэкономить много времени и денег. Такая небольшая ЯРД была бы достаточно большой, чтобы вывести космический корабль миссии «Марс Директ» с НОО на траекторию к Марсу, а также достаточно маленькой, чтобы быть полезной для множества других проектов, включая запуск беспилотных зондов во внешние части Солнечной системы и вывод военных спутников на геостационарную орбиту. Эти проекты, в отличие от ИИК, имеют реалистичные бюджеты.
По этой причине я и еще несколько человек долго и яростно отстаивали этот вариант. Тем не менее в начале 1990-х годов, когда дискуссия была в разгаре, НАСА еще не приняла «Марс Директ», а ЯРД с 15 000 фунтами тяги был слишком мал, чтобы запустить звездный крейсер «Галактика» к Марсу. То есть из-за громоздкого проекта миссии, предложенного планировщиками из НАСА, считалось, что нужны двигатели с тягой в диапазоне от 75 000 до 250 000 фунтов. Более того, многие из людей, сплотившихся тогда вокруг Воровски, были представителями учреждений, руководство которых надеялось получить огромные деньги для работы по строительству нового гигантского испытательного стенда, и поэтому они оказывали на Воровски соответствующее давление. К тому же начальники Воровски по программе ЯРД были чиновниками из НАСА, которые в целом поддерживали идею сделать разработку большого ЯРД долгосрочной программой и, следовательно, не одобрили бы любой ускоренный и более дешевый проект. Поэтому в конце концов сторонники большого двигателя победили. НАСА мешкало с ИИК, составив план программы ЯРД на 6 миллиардов долларов, причем для применения ЯРД исключительно к НИК, с большими полигонами и срок разработки в двенадцать лет. Когда ИИК отменили, то же сделали с ЯРД. После того как программа была прекращена, крысы бежали с корабля, оставив Воровски бороться за начало программы по небольшим ЯРД. С тех пор все приостановлено.
Я считаю, что мы могли бы запустить программу небольших ЯРД и произвести готовые к полету двигатели с 15 000 фунтами тяги и удельным импульсом в 850 секунд в течение четырех лет при стоимости от 500 миллионов до 1 миллиарда долларов. Эти оценки основаны на детальных обсуждениях и исследованиях, проведенных совместно с ветеранами NERVA и другими специалистами, работающими в этой отрасли в нескольких национальных лабораториях. Стоимость будет немаленькой, однако она сравнима со стоимостью одного запуска шаттла, и это позволило бы создать целый ряд новых космических возможностей для страны. Поскольку такой двигатель имеет широкую сферу применения, его разработка была бы мудрым решением независимо от того, планируем ли мы отправлять людей на Марс или нет.
Однако нельзя отрицать, что запустить программу ядерных космических ракет – трудная задача на сегодняшний день. Если исходить из того, что синица в руке лучше, чем журавль в небе, то можно понять, почему группа инженеров из лаборатории «Филлипс» ВВС США в Альбукерке, Нью-Мексико, выдвинула предложение по разработке солнечных тепловых ракетных систем. СТР – старая концепция, которая впервые была предложена ветераном разработки немецкой ракеты «Фау-2» Краффтом Эрике в 1950 году, но она так и не была запущена. Источником энергии для СТР служит собранный зеркалом солнечный свет, тем самым устраняя необходимость в ядерном топливе, но из-за проблем со сбором солнечного света (нужны зеркала больших площадей) и получаемой благодаря ему энергии трудно сделать СТР с тягой более 100 фунтов. Более того, по понятным причинам система совершенно неэффективна во внешней Солнечной системе. Поскольку тяга очень ограничена, СТР нельзя использовать для космических аппаратов миссии «Марс Директ» на пути от НОО до выхода на расчетную марсианскую траекторию. Но двигатель СТР может быть использован в длительной (до нескольких недель) серии маневров, известных как «толчок в перигее», во время которых двигатель включают примерно на тридцать минут каждый раз, когда космический корабль проходит самую низкую часть своей орбиты. Это позволило бы поднять космический корабль «Марс Директ» с НОО на вытянутую эллиптическую орбиту для того чтобы вскоре улететь от Земли. С этой орбиты космический аппарат полетит на Марс благодаря краткому включению химического двигателя, в то время как ступень с СТР двигателем будет либо отстрелена как отработавшая, либо вернется обратно на НОО, чтобы поднять на нужную высоту другой космический корабль. Поскольку для СТР ΔV, необходимая, чтобы поднять космический аппарат почти до выхода из поля притяжения Земли, составляет около 3,1 километра в секунду, а общая ΔV для выхода на траекторию к Марсу составляет от 3,7 (для груза) до 4,3 километра в секунду (для экипажа), СТР обеспечивает от 72 до 83 % работы двигателя для выхода на траекторию к Марсу. Таким образом, преимущества, предлагаемые СТР, сравнимы с возможностями ЯРД, хотя у СТР они несколько скромнее.
