Jaderné raketové motory

V USA se první informace o možnosti stavby raketového nukleárního pohonu objevují v prosinci 1953 a o nějaký čas později se touto problematikou začínají zabývat také výzkumná pracoviště v Sovětském svazu.

První zmínky o možnostech využít jadernou energii pro pohon raket jsou z roku 1944, kdy S. Ulam a F. de Hoffman zveřejnili dokument o možném využití energie z jádra. Ovšem už v roce 1907 si mladý Robert H. Goddard poznamenal do svého deníku, že k pohonu rakety je možné využít energie rozpadu atomu a Konstantin E. Ciolkovskij v roce 1912 hovořil o radioaktivním rozpadu jako o jedné z možností pohonu meziplanetárních aparátů. V červenci 1946 publikoval R. Serber svou studii, která se zabývala možnými metodami jak využít jaderný reaktor pro raketový pohon. Serber současně napsal, že zatím není vyřešen přenos tepla z reaktoru na pracovní látku a problémem je i vysoká teplota. Od roku 1946 financovalo americké vojenské letectvo program NEPA (Nuclear Energy for Propulsion of Aircraft), který měl přinést jaderný motor použitelný pro letadla a současně i pro rakety.

V letech 1948 a 1949 vycházel v časopisu Britské meziplanetární společnosti seriál článků se společným názvem "The Atomic Rocket" ("Atomová raketa"), který sestavili L. R. Shepherd a A. V. Cleaver. Autoři podali podrobný přehled o současném stavu v této oblasti. Závěr série vyzněl tak, že využití jaderné energie bude velkým přínosem do raketové techniky.

V prosinci 1953 byla v časopisu "Journal of Reactor Science and Technology" otištěna studie Roberta Bussarda, který rozebíral možnosti kompaktního grafitového nukleárního reaktoru s přímým ohřevem pracovní látky. Pracovní látkou měl být vodík, který by se zahříval na vysokou teplotu a poté by motor opouštěl tryskou jako u klasického raketového motoru. Kompaktní reaktor vyvolal zájem u americké Atomic Energy Commission (AEC; Komise pro atomovou energii) i v NACA (National Advisory Committee for Aeronautics), což vedlo k zařazení vývoje takového zařízení do programu "Rover". A v roce 1955 bylo zahájeno financování vývoje reaktoru s pevným jaderným palivem a s přímým ohřevem pracovní látky, jehož cílem mělo být vytvoření funkčního raketového motoru použitelného pro mise na Měsíc a k planetám. Druhotným cílem byla stavba malých jaderných elektráren pro ponorky (první modely jaderného raketového motoru využívaly obdobné uspořádání jako je obvyklé v jaderných elektrárnách).

2. listopadu 1955 americká Komise pro atomovou energii za podpory ministerstva obrany zadala Kalifornské univerzitě vypracování studie a stavby pilotního jaderného raketového motoru. Úkolu se ujaly Los Alamos Scientific a Radiation Laboratories. Americké ministerstvo obrany ale už v březnu 1957 svoji účast na projektu omezilo. Důvodem bylo zřejmě to, že jaderný motor je možné provozovat jen v kosmickém prostoru, vzhledem k nebezpečí radioaktivního zamoření širokého okolí v případě havárie rakety.

Přesto se necelé čtyři roky po zahájení výzkumu podařilo dokončit konstrukci první verze reaktoru pojmenovaného Kiwi. Reaktor zahříval plynný vodík procházející kanálky v kompaktním jaderném palivu, které tvořil karbid uranu. První test Kiwi A-1 proběhl 1. července 1959 v nevadském Jackass Flats a "motor" pracoval 5 minut při výkonu reaktoru 70 MW. Přestože všechny části aparatury pracovaly bez poruch, došlo k natavení trysky v důsledku silného zahřívání (v některých zdrojích se lze dočíst, že test proběhl úspěšně). Při dalších dvou zkušebních bězích motoru v červenci a v říjnu 1960 už zařízení pracovalo bez závad. Teplota je jedním z vážných problémů stavby motoru, naopak výhodu je dlouhá doba činnosti, která je v podstatě omezená jen konstrukčními možnostmi.

Na základě prvního testu a dopisu předsedy AEC z prosince 1959 přijal NASA rozhodnutí urychlit vývoj jaderného motoru a připravit první letovou zkoušku na rok 1967. Současně NASA a AEC uzavřely první kontrakty s firmami Aerojet, JRM a Westinghouse na konstrukci operačního jaderného motoru NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications). Jednání o kontraktech ale bylo zahájeno už 7. října 1960 v Nevada Test Site v Jackaas Flats, kde byla Komisí pro atomovou energii předložena nabídka na studii jaderného motoru šestadvaceti americkým společnostem.

Následoval vývoj výkonnějšího motoru Kiwi B, který měl dosahovat výkonu 1100 MW. Po dvouleté stavbě proběhly v září a v listopadu roku 1962 zkoušky motoru s kapalným vodíkem. Při chodu nového jaderného motoru ale došlo k nečekaným potížím vyvolaným silnými vibracemi. Vibrace, způsobené kapalným vodíkem, nakonec vedly k popraskání uranových palivových článků, a následkem toho byly další testy zastaveny. Teprve po dvouleté přestávce, když byly vyřešeny všechny problémy a opraveny konstrukční chyby, došlo k obnovení zkušebních testů.
Poprvé pracoval upravený motor 13. května 1964 (test Kiwi B-4D) a neprojevily se žádné zásadní závady. Proto 28. srpna 1964 následoval test Kiwi B-4E, při kterém reaktor pracoval po osm minut na plný výkon. Pro následující test v září 1964 byl použit stejný exemplář jako v srpnu a během zkoušky došlo poprvé k restartu motoru. Při testech bylo dosaženo výtokové rychlosti 7335 m/s, což je téměř dvojnásobek možností chemických raketových motorů (kde je maximum asi 4000 m/s) a byl dosažen tah asi 340 kN. Záběry z jednoho testu motoru lze spatřit na www.youtube.com/watch?v=ZRTrTRXOaTM

S motorem Kiwi proběhl ještě jeden nebezpečný pokus, když byla v jednom z motorů umožněna neřízení štěpná reakce. Během krátké doby došlo k vypaření jaderného paliva i moderátoru a vše skončilo explozí; do ovzduší unikl radioaktivní materiál. Přesto byl v té době jaderný raketový motor považován ze velmi spolehlivý a výhodný pro kosmické lety.

Pro následující fázi pokusů byl postaven nový model NRX (Nuclear Rocket Experiment). První zkouška motoru NRX A-2 se uskutečnil 24. září 1964 a později proběhly testy motoru NRX A-3 a při jednom testu pracoval motor NRX-5 nepřetržitě 30 minut a byl dosažen maximální tah 250 kN.

Další etapa začala v červnu 1965, kdy se rozběhla stavba reaktoru Phoebus 1-A. Od února 1967 pak probíhaly zkoušky reaktoru Phoebus 1-B, který dosahoval tahu 340 kN, a reaktor Phoebus 2-A pracoval v červnu 1968 celkem 30 minut.

V roce 1969 byl v Los Alamos uveden do provozu nový testovací stav ETS (Engine Test Stand), který mohl simulovat podmínky v různých letových výškách. Na tomto stavu už byl zkoušen motor NERVA XE, který byl v podstatě prototypem letového modelu jaderného motoru. První test proběhl 20. března 1969 a zkoušky pokračovaly až do září 1969. Celkově motor při 28 startech pracoval 3:45 hod s maximálním výkonem 1100 MW.
Ovšem krátce poté byl díky přísnějším normám jaderné bezpečnosti a omezení financování administrativou prezidenta Nixona další vývoj pozastaven a k 5. lednu 1973 byl projekt Rover úplně zrušen. Na zrušení vývoje jaderného raketového motoru neměla vliv jen snaha o ochranu životního prostředí, ale projevil se i pokles veřejného a politického zájmu o uskutečnění pilotované mise na Mars, který NASA už v roce 1972 opustil. V plánech z počátku šedesátých let se motor NERVA měl podílet na letu k Marsu (dokonce se již uvažovalo se startem v listopadu 1981 a přistáním na Marsu v srpnu 1982) a na dráhu kolem Země by jej vynesla raketa Saturn V; motor NERVA pak měl být aktivován až v kosmickém prostoru a jeho úkolem bylo urychlit těžkou pilotovanou kosmickou loď. Dalším polem působnosti měla být kyvadlová přeprava nákladů mezi oběžnými drahami kolem Země a Měsíce.

Dalším zvažovaným typem jaderného motoru bylo zařízení vybavené homogenním reaktorem, v nichž je štěpný materiál v plynné podobě. Podle teoretických studií by takový motor mohl dosahovat specifického impulsu až 30.000 N.s/kg. Ovšem zastavením projektu Rover se ani ve studiích těchto jaderných motorů nepokračovalo.

Také v Sovětském svazu se v letech 1961 až 1963 pracovalo na konstrukci jaderného motoru, který byl obdobný americkému motoru NERVA. Motor vyvíjely konstrukční kanceláře Bondarjuka a Gluška. V roce 1963 upřesnil S. P. Koroljov požadavky na jaderný motor, který by se měl používat jako horní stupeň měsíční rakety N-1. Vyvíjely se tři varianty: motor typu A měl mít hmotnost 4800 kg, typu AF 3250 kg a typ V 18.000 kg v úpravě pro pilotovaný let 25.000 kg (zde přírůstek váhy tvořil biologický štít). Vývoj zřejmě zůstal nedokončen a přednost dostaly chemické raketové motory.
V SSSR se vývoji jaderného raketového motoru věnoval ještě Energomaš pracující na nosné raketě UR-700. Verze UR-700M uvažovaná pro pilotovanou expedici na Mars měla být ve čtvrtém stupni vybavena jaderným motorem RD-0410 s tahem ve vakuu 35,2 kN. Motor byl schopen pracovat celkem jednu hodinu a mohl být spuštěn desetkrát. Jeho hmotnost, včetně radiačního štítu, byla 2000 kg.

V polovině 80. let minulého století rozjelo americké ministerstvo obrany nový projekt SNTP (Space Nuclear Thermal Propulsion), jehož cílem byl vývoj kompaktního jaderného motoru. Program, který byl součástí tzv. strategické obranné iniciativy (SDI), byl již v roce 1993 zastaven. Nepodařilo se tak ani vyzkoušet hotový prototyp.

Z Ruska v lednu letošního roku přišla zpráva, že u raket třídy Amur a Jenisej, jejich těžké varianty by měly zajistit pilotované meziplanetární lety, se plánuje využití jaderných reaktorů. Nový jaderný reaktor by mělo vyvíjet Chruničevovo kosmické středisko a tento reaktor by kromě pohonu prostřednictvím iontových nebo magnetohydrodynamických motorů také zajišťoval energii pro palubní systémy. Ovšem pilotovanou expedici na Mars nelze z ruské strany očekávat dříve než v roce 2037. A nestor ruských konstruktérů Čertok nedávno dokonce prohlásil, že expedice na Mars je vzhledem k radiačnímu nebezpečí pro kosmonauty v úrovni utopie...

HLAVNÍ PRAMENY:
[1] M. Grün: Kosmonautika - současnost a budoucnost, Horizont, Praha 1983
[2] P. Lála, A. Vítek: Malá encyklopedie kosmonautiky, Mladá fronta, Praha 1982
[3] L. Lejček, O. Uhlarik: Vývoj prototypů jaderných raketových motorů s pevným jaderným palivem - in: Letectví a kosmonautika, ročník 2000, číslo 12
[4] http://astronautix.com[5] http://history.nasa.gov[6] http://www.nuclearspace.com[7] http://technet.idnes.cz/rusko-vyrobi-rakety-s-jadernym-reaktorem-dopravi-cloveka-na-mars-pyz-/tec_vesmir.aspx?c=A110127_112319_tec_vesmir_vse

-----
Příště: Historická výročí - říjen 2011; plánované zveřejnění: 30.9.2011.