Новая конструкция ядерной ракеты для отправки миссий на Марс всего за 45 дней

Концепция художника бимодальной ядерной тепловой ракеты на низкой околоземной орбите.

Мы живем в эпоху возобновления освоения космоса, когда несколько агентств планируют отправить астронавтов на Луну в ближайшие годы. В следующем десятилетии за этим последуют полеты на Марс с экипажами НАСА и Китая, к которым вскоре могут присоединиться другие страны. Эти и другие миссии, которые выведут астронавтов за пределы низкой околоземной орбиты (LEO) и системы Земля-Луна, требуют новых технологий, начиная от жизнеобеспечения и защиты от радиации и заканчивая питанием и двигателями. И когда дело доходит до последнего, ядерная тепловая и ядерная электрическая тяга (NTP / NEP) является главным претендентом!

НАСА и советская космическая программа потратили десятилетия на исследования ядерных двигателей во время Космической гонки. Несколько лет назад НАСА возобновило свою ядерную программу с целью разработки бимодального ядерного двигателя – двухкомпонентной системы, состоящей из элементов NTP и NEP, – которая могла бы обеспечить транзит на Марс за 100 дней. В рамках программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) на 2023 год НАСА выбрало ядерную концепцию для разработки первой фазы. Этот новый класс бимодальной ядерной двигательной установки использует “цикл запуска волнового ротора” и может сократить время полета до Марса всего до 45 дней.

Предложение под названием “Бимодальный NTP / NEP с циклом запуска волнового ротора” было выдвинуто профессором Дж. Райан Госс, руководитель программы гиперзвуковых исследований в Университете Флориды и член команды Флоридских прикладных инженерных исследований (FLARE). Предложение Госсе является одним из 14, отобранных NAIC в этом году для разработки первой фазы, которая включает грант в размере 12 500 долларов США для оказания помощи в разработке соответствующих технологий и методов. Другие предложения включали инновационные датчики, приборы, технологии производства, системы питания и многое другое.

Ядерная тяга по сути сводится к двум концепциям, обе из которых основаны на технологиях, которые были тщательно протестированы и проверены. Для ядерно-теплового двигателя (NTP) цикл состоит из ядерного реактора, нагревающего жидкий водород (LH2), превращая его в ионизированный газообразный водород (плазму), который затем направляется через сопла для создания тяги. Было предпринято несколько попыток создать испытательную двигательную установку, в том числе проект Rover, совместный проект ВВС США и Комиссии по атомной энергии (AEC), который был запущен в 1955 году.

В 1959 году НАСА сменило ВВС США, и программа вступила в новую фазу, посвященную применению космических полетов. Это в конечном итоге привело к созданию ядерного двигателя для применения в ракетных аппаратах (NERVA), твердотопливного ядерного реактора, который был успешно испытан. С закрытием эры "Аполлона" в 1973 году финансирование программы было резко сокращено, что привело к ее отмене до проведения каких-либо летных испытаний. Между тем, Советы разработали свою собственную концепцию NTP (RD-0410) в период с 1965 по 1980 год и провели одно наземное испытание перед отменой программы.

С другой стороны, ядерно-электрическая тяга (NEP) основана на ядерном реакторе для обеспечения электричеством двигателя с эффектом Холла (ионный двигатель), который генерирует электромагнитное поле, которое ионизирует и ускоряет инертный газ (например, ксенон) для создания тяги. Попытки разработать эту технологию включают инициативу NASA по ядерным системам (NSI). Проект "Прометей" (с 2003 по 2005 год). Обе системы имеют значительные преимущества по сравнению с обычными химическими двигателями, включая более высокий удельный импульс (Isp), топливную экономичность и практически неограниченную плотность энергии.

В то время как концепции NEP отличаются тем, что обеспечивают более 10 000 секунд I sp, что означает, что они могут поддерживать тягу в течение почти трех часов, уровень тяги довольно низок по сравнению с обычными ракетами и NTP. По словам Госсе, потребность в источнике электроэнергии также поднимает проблему отвода тепла в космосе, где в идеальных условиях преобразование тепловой энергии составляет 30-40%. И хотя конструкции NTP NERVA являются предпочтительным методом для миссий с экипажем на Марс и за его пределы, у этого метода также есть проблемы с обеспечением адекватных начальных и конечных массовых долей для миссий с высоким дельта-V.

Новый класс бимодальных NTP / NEP с циклом запуска волнового ротора, обеспечивающим быструю транспортировку на Марс.

Вот почему предпочтение отдается предложениям, включающим оба метода движения (бимодальный), поскольку они сочетают в себе преимущества обоих. Предложение Госсе предусматривает бимодальную конструкцию, основанную на твердотопливном реакторе NERVA, который обеспечивал бы удельный импульс (I sp) в 900 секунд, что в два раза превышает текущие характеристики химических ракет. Предлагаемый цикл Госсе также включает в себя нагнетатель с волновой подачей, или волновой ротор (WR) – технологию, используемую в двигателях внутреннего сгорания, которая использует волны давления, возникающие в результате реакций на сжатие всасываемого воздуха.

В паре с двигателем NTP WR будет использовать давление, создаваемое нагревом топлива LH2 в реакторе, для дальнейшего сжатия реакционной массы. Как обещает Госсе, это обеспечит уровень тяги, сравнимый с концептом NTP класса NERVA, но с I sp 1400-2000 секунд. По словам Госсе, в сочетании с циклом NEP уровни тяги повышаются 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 исследование дальнего космоса нашей солнечной системы ”.

На основе обычных двигательных технологий полет на Марс с экипажем может длиться до трех лет. Эти миссии будут запускаться каждые 26 месяцев, когда Земля и Марс находятся ближе всего (иначе говоря, противостояние Марса), и будут проводить в пути минимум от шести до девяти месяцев. Транзит в 45 дней (шесть с половиной недель) сократит общее время полета до месяцев вместо лет. Это значительно снизило бы основные риски, связанные с полетами на Марс, включая радиационное облучение, время, проведенное в условиях микрогравитации, и связанные с этим проблемы со здоровьем.

Концепция художника о бимодальной ядерной ракете, совершающей путешествие на Луну, Марс и другие пункты назначения в Солнечной системе.

В дополнение к двигателю, есть предложения по новым конструкциям реакторов, которые обеспечили бы стабильное энергоснабжение для длительных наземных миссий, где солнечная и ветровая энергия не всегда доступны. Примеры включают реактор NASA Kilopower с использованием технологии Sterling (KRUSTY) и гибридный реактор деления / синтеза, выбранный для разработки фазы I в рамках отбора NAIC 2023 НАСА. Эти и другие ядерные приложения могут когда-нибудь позволить осуществлять полеты с экипажем на Марс и в другие места в глубоком космосе, возможно, раньше, чем мы думаем!

Источник: сайт