Мы живем в эпоху возобновления освоения космоса, когда несколько агентств планируют отправить астронавтов в космос. Луна в ближайшие годы. В следующем десятилетии за этим последуют миссии с экипажем на Марс НАСА и Китая, к которым вскоре могут присоединиться и другие страны.
Эти и другие миссии, которые выведут астронавтов за пределы низкой околоземной орбиты (НОО) и системы Земля-Луна, требуют новых технологий, начиная от жизнеобеспечения и радиационной защиты и заканчивая энергией и двигательной установкой.
И когда дело доходит до последнего, Ядерная тепловая и ядерная электрическая двигательная установка (НТП/НЭП) – главный претендент!
НАСА и советская космическая программа потратили десятилетия на исследования ядерных двигателей во время космической гонки.
Несколько лет назад НАСА возобновил свою ядерную программу с целью разработки бимодальной ядерной двигательной установки — системы, состоящей из двух частей, состоящей из элементов НТП и НЭП, — которая могла бы обеспечить переходы к Марс за 100 дней.
В рамках Инновационные передовые концепции НАСА (NIAC) на 2023 год, НАСА выбрало ядерную концепцию для первого этапа разработки. Этот новый класс бимодальной ядерной двигательной установки использует “цикл долива волнового ротора” и может сократить время в пути до Марса всего до 45 дней.
Предложение под названием «Бимодальный NTP/NEP с циклом топпинга волнового ротора,” был предложен профессором Райаном Госсе, руководителем программы по гиперзвуку в Университете Флориды и членом Прикладные исследования Флориды в области инженерии (ВСПЫШКА) команда.
Предложение Госсе является одним из 14, выбранных NAIC в этом году для разработки Фазы I, которая включает грант в размере 12 500 долларов США для помощи в совершенствовании используемых технологий и методов. Другие предложения включали инновационные датчики, инструменты, технологии производства, системы питания и многое другое.
frameborder=”0″ разрешить=”акселерометр; Автовоспроизведение; буфер обмена-запись; зашифрованные носители; гироскоп; картинка в картинке; веб-поделиться”
Ядерный двигатель по существу сводится к двум концепциям, каждая из которых опирается на технологии, которые были тщательно протестированы и проверены.
Для ядерно-тепловой двигательной установки (NTP) цикл состоит из ядерного реактора, нагревающего жидкое водородное топливо (LH2), превращая его в ионизированный газообразный водород (плазму), который затем направляется через сопла для создания тяги.
Было предпринято несколько попыток испытать эту силовую установку, в том числе Проект Роверсовместная работа ВВС США и Комиссии по атомной энергии (AEC), начатая в 1955 году.
В 1959 году НАСА сменило ВВС США, и программа вступила в новую фазу, посвященную космическим полетам. В конечном итоге это привело к Ядерный двигатель для ракетной техники (NERVA), ядерный реактор с твердой активной зоной, который прошел успешные испытания.
С закрытием эры Аполлона в 1973 году финансирование программы резко сократилось, что привело к ее отмене до того, как можно было провести какие-либо летные испытания. Тем временем Советы разработали собственную концепцию НТП (РД-0410) между 1965 и 1980 годами и провел одно наземное испытание до отмены программы.
Ядерно-электрическая двигательная установка (НЭП), с другой стороны, полагается на ядерный реактор для обеспечения электричеством Двигатель на эффекте Холла (ионный двигатель), который генерирует электромагнитное поле, которое ионизирует и ускоряет инертный газ (например, ксенон) для создания тяги. Попытки разработать эту технологию включают в себя НАСА Инициатива ядерных систем (NSI) Проект «Прометей» (с 2003 по 2005 год).
Обе системы имеют значительные преимущества по сравнению с обычным химическим двигателем, в том числе более высокий показатель удельного импульса (Isp), топливную экономичность и практически неограниченную плотность энергии.
В то время как концепции NEP отличаются тем, что обеспечивают более 10 000 секунд Isp, что означает, что они могут поддерживать тягу в течение почти трех часов, уровень тяги довольно низкий по сравнению с обычными ракетами и NTP.
Потребность в источнике электроэнергии, говорит Госсе, также поднимает вопрос отвода тепла в космосе, где преобразование тепловой энергии в идеальных условиях составляет 30-40 процентов.
И хотя конструкции NTP NERVA являются предпочтительным методом для миссий с экипажем на Марс и далее, этот метод также имеет проблемы с обеспечением адекватных начальных и конечных массовых долей для миссий с высоким дельта-v.
Вот почему предпочтение отдается предложениям, включающим оба метода движения (бимодальный), поскольку они сочетают в себе преимущества обоих. Предложение Госсе предусматривает бимодальную конструкцию на основе реактора NERVA с твердой активной зоной, которая будет обеспечивать удельный импульс (Isp) в 900 секунд, что в два раза превышает нынешние характеристики химических ракет.
Предложенный Госсе цикл также включает в себя нагнетатель волны давления — или волновой ротор (WR) — технологию, используемую в двигателях внутреннего сгорания, которая использует волны давления, возникающие в результате реакции на сжатие всасываемого воздуха.
В сочетании с двигателем NTP WR будет использовать давление, создаваемое нагревом топлива LH2 в реакторе, для дальнейшего сжатия реакционной массы. Как обещает Госсе, это обеспечит уровни тяги, сравнимые с концепцией NTP класса NERVA, но с Isp 1400-2000 секунд. В сочетании с циклом НЭП сказал Госсе, уровни тяги увеличены еще больше:
«В сочетании с циклом NEP рабочий цикл Isp может быть дополнительно увеличен (1800–4000 секунд) с минимальным добавлением сухой массы. Эта бимодальная конструкция обеспечивает быстрый переход для пилотируемых миссий (45 дней до Марса) и революционизирует исследования дальнего космоса. нашей Солнечной системы».
Основываясь на обычной двигательной технологии, пилотируемая миссия на Марс может длиться до трех лет. Эти миссии будут запускаться каждые 26 месяцев, когда Земля и Марс находятся на максимальном сближении (т. е. противостояние Марса), и будут проводить в пути минимум от шести до девяти месяцев.
Транзит продолжительностью 45 дней (шесть с половиной недель) сократит общее время миссии до месяцев, а не лет. Это значительно снизит основные риски, связанные с полетами на Марс, включая радиационное облучение, время, проведенное в условиях микрогравитации, и связанные с этим проблемы со здоровьем.
В дополнение к силовой установке есть предложения по новым конструкциям реакторов, которые обеспечат стабильное энергоснабжение для длительных наземных миссий, где солнечная и ветровая энергия не всегда доступны.
Примеры включают НАСА Реактор Kilopower с использованием технологии Sterling (КРАСТИ) и гибридный ядерный/термоядерный реактор выбран для разработки Фазы I по выбору НАСА NAIC 2023.
Эти и другие ядерные приложения могут когда-нибудь позволить пилотируемым полетам на Марс и в другие места в глубоком космосе, возможно, раньше, чем мы думаем!
Эта статья была первоначально опубликована Вселенная сегодня. Читать оригинальная статья.
