Обходные пути
Чем же можно заменить обычные ракетные двигатели? Например, можно нагреть до высокой температуры сверхлегкие газы (водород, гелий, метан) и заставить их течь через сопло со скоростями в 2,0—2,5 раза выше, чем у химических ракетных двигателей. Это можно сделать с помощью либо компактного ядерного реактора, либо нагревательного элемента, работающего от солнечных батарей. Ядерные ракетные двигатели для пилотируемых экспедиций на Марс , которые так стремились осуществить США и СССР на заре космонавтики, активно разрабатывали в 1960—1970-е годы. Правда, из-за опасности радиационного заражения подобные работы были остановлены на фазе наземных испытаний.
Еще более экономичны и быстры плазменные и ионные электроракетные двигатели. В них поток заряженных частиц разгоняется до высоких скоростей с помощью электромагнитного поля, почти как в ускорителе элементарных частиц. Определяющим их тягу параметром оказывается мощность энергоустановки, создающей поле и разгоняющей частицы.
В начале 1960-х годов американские специалисты экспериментировали с компактными ядерными реакторами, оборудованными турбогенераторами. Они столкнулись с низкой надежностью и большими габаритами установки. Работы по улучшению характеристик системы требовали огромных финансовых вложений, и «аппетиты» пришлось ограничить сравнительно простыми радиоизотопными генераторами с полупроводниковыми термоэлектрическими преобразователями. Последние стояли на всех зарубежных аппаратах дальнего космоса — от «Пионеров» до «Кассини» .
Отечественные специалисты сконцентрировали внимание на термоионных и термоэмиссионных преобразователях, встроенных в активную зону реактора. Они позволили резко уменьшить габариты и массу радиатора-излучателя при довольно высоком КПД установки в целом.
Масса ядерной энергоустановки определяется ее максимальной мощностью, причем с ростом последней удельная масса системы снижается. Появляется возможность дать больше энергии на электроракетные двигатели, и это очень удачно: при увеличении мощности абсолютная и удельная тяга растут быстрее, чем масса двигателя. Поэтому, сохраняя неизменными величину тяги и время перелета, можно уменьшить необходимую массу топлива и выиграть в массе полезной нагрузки аппарата.
За такими двигателями — будущее, а наша страна, кстати, располагает уникальным опытом создания и эксплуатации реакторных энергоустановок в космосе. В 1960-е годы в СССР были разработаны ядерные энергоустановки «Бук» (с термоэлектрическим преобразователем мощностью 3 кВт) и «Тополь» (более известна как «Топаз», с термоэмиссионным преобразователем мощностью 5 кВт). Первый спутник с «Буком» был выведен на околоземную орбиту в 1970 году, а в период до 1988 года состоялись запуски в общей сложности 32 аппаратов данного типа. В 1987 году на орбиту были выведены два спутника с «Топазом». Для сравнения: единственный американский аппарат с атомным реактором SNAP 10A и термоэлектрическим преобразователем мощностью около 0,5 кВт был запущен США в 1965 году. Затем работы по ядерной энергетике в космосе в Америке надолго перешли в теоретическую плоскость и были возобновлены лишь в 2002 году в рамках программы «Инициатива по ядерным установкам».