Ключевым показателем производительности ракеты является ее удельный импульс, количество секунд, за которое двигатель использует фунт топлива, чтобы получить фунт тяги. Лучшие химические ракеты, доступные сегодня, имеют удельный импульс около 450 секунд, в то время как для ядерного ракетного двигателя он может составлять около 900 секунд.

Но есть еще один способ достичь высокого удельного импульса. Это ионизация газа путем удаления части электронов из его атомов, а затем его ускорение с помощью сил притяжения и отталкивания электростатической решетки. Этот метод известен как электрическое реактивное движение, или «ионный привод». В сходной концепции газ преобразуется в плазму, которая затем выбрасывается из магнитного сопла, создавая тягу.

Рис. 8.4. Космический аппарат с ядерным электрическим двигателем потребует очень больших систем реакторов. Подобные транспортные системы сейчас провозглашают ключом к быстрым полетам на Марс, но это напрасная надежда, так как такие ракеты набирают ускорение очень медленно. Однако поскольку они очень экономно расходуют топливо, то, возможно, когда-нибудь будут использованы, чтобы значительно уменьшить затраты на транспортировку грузов на Марс (иллюстрация предоставлена НАСА)

В любом случае, используя электрические двигатели, можно генерировать удельные импульсы до многих тысяч секунд, даже не нагревая выхлопной газ до очень высоких температур. Это не просто теория, но реальный факт – ионные приводы сегодня используются для маневров по поддержанию стационарных орбит многих спутников. Но, если необходимо создать большую тягу, понадобится много электроэнергии. Например, для 120-тонного космического корабля потребуется мощность 5 МВт (это примерно в 70 раз больше, чем запланировано для МКС), чтобы сгенерировать тягу в 280 ньютонов (около 60 фунтов) с удельным импульсом в 5000 секунд. Однако если предположить, что у вас есть такое большое количество энергии, можно сгенерировать ΔV = 30 километров в секунду, необходимую для путешествия с низкой околоземной орбиты к Марсу и обратно, примерно за один год непрерывного создания тяги. Космический корабль с ядерным электрическим двигателем мог бы достичь такого невероятно большого значения ΔV только при отношении масс около 1,82. Траектории, по которым должны двигаться транспортные средства с электрическим двигателем, обычно требуют гораздо больших ΔV (как правило, в два раза), чем химические двигательные установки, чтобы добраться из одной точки Солнечной системы в другую, но, так как удельный импульс примерно в 10 раз выше, можно спокойно улететь значительно дальше, если не позволять самой массе ядерной электрической двигательной системы чрезмерно возрасти.

Электрические ионные двигатели с мощностями в киловатты уже существуют, а усовершенствование их до мощностей в несколько мегаватт, необходимых для систем транспортировки на основе ядерных электрических ракет (ЯЭР), – задача вполне решаемая. Реальная проблема при разработке двигательных систем с ЯЭР на сегодняшний день состоит в том, чтобы получить государственную поддержку и средства, необходимые для разработки многомегаваттного космического ядерного реактора для питания ЯЭР. В этом контексте следует отметить, что утверждения некоторых ярых сторонников электрических двигателей, таких как группа VASIMR во главе с бывшим астронавтом Франклином Чанг-Диазом, что их технология плазменного двигателя позволит совершать быстрые (около 40 дней) полеты на Марс при наличии 200-мегаваттного ядерного реактора, просто смешны. Даже если оптимистично предположить, что отношение массы к энергии для систем космических реакторов конца XXI века восьмикратно уменьшится по сравнению с прогнозами, сделанными на основе современных технологий (от сегодняшних 40 тонн на мегаватт до будущей производительности в 5 тонн на мегаватт), 200-мегаваттный реактор будет иметь массу в 1000 тонн и перевесит свою полезную нагрузку на порядок. Но, так как реактору потребуется толкать не только относительно небольшую полезную нагрузку, но еще и себя, независимо от размеров, он никогда не сможет ускорить космический корабль до скорости, необходимой для быстрого полета к Марсу. Таким образом, заявления группы VASIMR о том, что они обладают прорывной двигательной системой, необоснованны, и это довольно печально, так как к группе примыкают те, кто выступает против отправки человека на Марс до тех пор, пока такие фантастические космические двигатели не станут доступными.

Однако, если отбросить иллюзорную цель использовать ЭРД для быстрого полета на Марс, размер системы ядерного реактора по отношению к полезному грузу может быть небольшим и тем самым снизить массу ракеты при запуске, а значит, и уменьшить расходы на будущую межпланетную торговлю.