Pulsar Fusion и Princeton Satellite Systems разработают термоядерный ракетный двигатель
Проектный облик космического корабля от Pulsar Fusion. Двигательная установка показана в разрезе
Для дальнейшего развития ракетно-космической техники и выхода за пределы земной орбиты требуются новые технологии, в первую очередь, принципиально новые двигательные установки. Сейчас в нескольких странах прорабатывается целый ряд проектов такого рода, основанных на самых смелых идеях. Так, британская компания Pulsar Fusion в сотрудничестве с американской Princeton Satellite Systems начала работу над термоядерным двигателем типа Direct Fusion Drive. Ожидается, что такое изделие покажет уникальные технические и экономические характеристики.
Перспективное направление
Британская компания Pulsar Fusion была основана в 2011 г. группой молодых специалистов. Своей целью она называет разработку новых двигательных установок для ракетно-космической техники, которые помогут совершить следующий прорыв в этой области. В идеале, новые наработки и двигательные установки должны будут обеспечить выход за пределы земной орбиты и полноценную деятельность у удаленных небесных тел.
Компания прорабатывает разные варианты двигателей и горючего для них. Так, в ноябре 2021 г. состоялись первые огневые испытания твердого топлива, изготовленного с использованием переработанного полиэтилена. Специфический заряд топлива показал требуемый уровень характеристик, а также подтвердил возможность использования вторсырья в ракетной технике.
Термоядерный реактор двигателя
На протяжении нескольких последних лет «Пульсар Фьюжн» говорит о намерении разработать и построить термоядерный ракетный двигатель. При решении всех ставящихся конструкторских задач, такая установка будет показывать уникальные характеристики тяги и экономичности. Ожидается, что с помощью термоядерного двигателя космические аппараты смогут покрывать большие расстояния в минимальное время.
До недавнего времени компания занималась только теоретической проработкой перспективного проекта. Теперь работы переходят на новую стадию. В середине июня Pulsar Fusion подписала соглашение с американской компанией Princeton Satellite Systems. Вместе они собираются провести необходимые исследования и сформировать оптимальный облик двигателя для дальнейшей разработки проектной документации.
Любопытно, что в компании уже примерно представляют, каким будет перспективный двигатель. Она уже демонстрирует компьютерные модели самой установки и космического корабля с нею. Показанное изделие имеет все необходимые компоненты, соответствующие концепции проекта. Однако в дальнейшем, по мере развития проекта, облик установки может измениться.
Научная стадия
Согласно недавно подписанному соглашению, Pulsar Fusion и Princeton Satellite Systems в ближайшее время будут совместно заниматься необходимыми исследованиями. Техническую базу для этих работ предоставит американская сторона. Основная часть работ пройдет на исследовательской установке Princeton Field-Reversed Configuration 2 (PFRC-2), которая уже использовалась в разных исследовательских программах, американских и зарубежных.
Принципиальная схема двигателя DFD
Идея термоядерной установки с обращенной магнитной конфигурацией (Field-Reversed Configuration) была предложена в начале двухтысячных годов. Вскоре после этого Принстонская лаборатория физики плазмы построила и испытала опытную установку такого рода. Подтвердив работоспособность концепции, она продолжила исследования. Работы ведутся по заказу министерства энергетики США и агентства NASA.
В дальнейшем к исследованиям по термоядерному двигателю присоединилась компания Princeton Satellite Systems. Она создала собственную научно-исследовательскую базу и построила установку PFRC-2. В будущем, по мере реализации новых этапов исследований, планируется создать еще два опытных комплекса.
По всей видимости, Pulsar Fusion и Princeton Satellite Systems разделят обязанности. Американская сторона может взять на себя ведущую роль в исследованиях, а британские специалисты займутся непосредственной разработкой двигателя на новых технологиях. Так, они уже занимаются сборкой некоторых агрегатов, вероятно, для проведения части испытаний.
Не позднее 2027 г. планируется построить и испытать полноценный двигатель-демонстратор технологии. Он должен будет существенно отличаться от лабораторной установки и допускать монтаж на гипотетические космические корабли.
В процессе сборки элементов опытного DFD
Тяга от синтеза
В основе проекта Pulsar Fusion и Princeton Sattelite Systems лежит концепция Direct Fusion Drive (DFD). Она предусматривает получение тяги непосредственно от термоядерного синтеза, без промежуточных этапов выработки электроэнергии и т.д. Для реализации такой концепции требуется двигатель специфической конструкции, имеющий некоторые черты и элементы термоядерного реактора.
Исследовательская установка PFRC-2 может считаться своего рода опытным образцом двигателя DFD. Она имеет соответствующую конструкцию и все необходимые устройства. При этом лабораторный комплекс имеет ограниченные размеры и нуждается в массе сопутствующей аппаратуры. Кроме того, он не показывает желаемый уровень характеристик. Все это позволяет проводить опыты, но исключает полноценное внедрение в практике.
Основным элементом двигателя DFD является термоядерный реактор в виде цилиндрической камеры, на которую снаружи надеты электромагнитные катушки. В камеру подается газ, используемый при термоядерном синтезе, например смесь дейтерия и гелия-3. Затем запускается реакция и в центре камеры создается сгусток плазмы эллиптической или веретенообразной формы. Предусматривается постоянная подача нового топлива для поддержания реакции в течение необходимого времени.
Через один из торцов в камеру подается рабочее тело двигателя – то или иное вещество в газообразном виде. В ходе исследований предстоит определить оптимальный состав такого «топлива». Проходя через камеру, рабочее тело должно получать энергию, разогреваться, не доходя до состояния плазмы, и направляться к соплу на другом торце камеры. Выходя через сопло, газ будет создавать необходимую тягу.
Термоядерная реакция позволяет создавать в камере-реакторе температуру в несколько миллионов градусов и передавать рабочему телу соответствующие высочайшие энергии. Соответственно, появляется возможность резко улучшить энергетические параметры двигателя – его тяга вырастет при сохранении приемлемого расхода рабочего тела. При этом отсутствуют потери на промежуточные преобразования энергии.
Перспективы технологии
Компания «Пульсар Фьюжн» раскрывает желаемые характеристики своего двигателя DFD. Так, в опубликованных материалах фигурирует гипотетический ракетоподобный космический корабль массой 10 т. Он оснащен термоядерным реактором длиной в несколько метров, при помощи которого сможет развивать скорость более 220 км/с.
С такой скоростью минимальное расстояние от Земли до Марса преодолевается за двое суток. Полет к Титану, на орбиту Сатурна, по оптимальной траектории займет два месяца. Такие расчеты не учитывают необходимость разгона и торможения и другие аспекты космического полета. Однако и в таком случае проект DFD выглядит гораздо интереснее современных «химических» двигателей.
Указывают и на другие преимущества установки DFD. Так, термоядерный реактор можно использовать для выработки электроэнергии, причем в непривычно больших для космической техники объемах. Топливо для реактора не требует много места, а рабочее тело предлагают собирать прямо в космическом пространстве. При всем этом, радиационная опасность установки и ее выхлопа минимальна, и в этом отношении DFD превосходит прочие варианты ядерных двигателей для космоса.
Впрочем, концепция DFD имеет ряд недостатков, в т.ч. критических. В первую очередь проблемой является незрелость технологии термоядерного синтеза. Несмотря на все усилия, пока не удалось создать реактор, который будет вырабатывать больше энергии, чем требуется для работы с плазмой. При этом для двигателя DFD нужен большой выход энергии – от него зависят параметры рабочего тела и летные характеристики.
Кроме того, британским и американским специалистам предстоит решить проблему габаритов и массы. Двигательная установка должна соответствовать параметрам космического аппарата и ограничениям средства вывода на орбиту. Опытные комплексы, занимающие крупные помещения и требующие дополнительной инфраструктуры, не имеют практических перспектив.
С прицелом на будущее
В целом концепция термоядерного ракетного двигателя DFD и проект от Pulsar Fusion представляет большой интерес. Предлагается новая конструкция двигателя для ракетно-космической техники, которая сможет обеспечить значительный прирост характеристик. При этом установка нового типа сможет обойти существующие образцы по ключевым параметрам даже при ограниченном успехе – настолько крупный задел имеет новая концепция.
Однако разработка двигателя DFD сталкивается с рядом серьезных ограничений и проблем, причем на всех уровнях. Не готов даже центральный агрегат двигателя, без которого вся система не сможет работать и показывать желаемые характеристики. Компаниям-участникам нового проекта предстоит решить целый ряд сложных проблем. Если они справятся с поставленными задачами, космонавтика получит новые возможности. В противном случае история ракетной техники пополнится еще одним интересным, но бесполезным прожектом.
Информация