Мы живем в эпоху возобновления исследования космоса, когда несколько агентств планируют отправить людей на Луну в ближайшие годы. В следующем десятилетии за этим последуют пилотируемые миссии на Марс.
Эти и другие космические миссии, которые выведут людей за пределы низкой околоземной орбиты и системы Земля-Луна, потребуют новых технологий, начиная от жизнеобеспечения и радиационной защиты и заканчивая энергией и двигательной установкой.
И когда дело доходит до последнего, ядерные тепловые и ядерные электрические двигатели (NTP/NEP) является главным претендентом.
Несколько лет назад НАСА вновь запустило свою программу с целью разработки бимодальной ядерной силовой установки — системы из двух частей, состоящей из элементов NTP и NEP, — которая могла бы обеспечить полет к Марсу за 100 дней.
В рамках программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) на 2023 год НАСА выбрало концепцию для первого этапа разработки. Новый класс бимодальной ядерной двигательной установки использует «цикл подъема волнового ротора» и может сократить время полета до Марса всего до 45 дней.
Предложение, озаглавленное «Бимодальный NTP/NEP с циклом топпинга волнового ротора», было выдвинуто профессором Райаном Госсе, руководителем программы по гиперзвуку в Университете Флориды и членом группы прикладных исследований в области инженерии (FLARE).
Предложение является одним из 14, выбранных NAIC в этом году для разработки Фазы I, которая включает грант для помощи в совершенствовании используемых технологий и методов. Другие предложения включали инновационные датчики, инструменты, технологии производства, системы питания и многое другое.
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 Project Rover. В конечном итоге он привел к созданию ядерного двигателя для ракетных транспортных средств (NERVA), твердотопливного ядерного реактора, 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. Между тем, в период с 1965 по 1980 год в СССР была разработана собственная концепцию NTP (РД-0410) и проведено одно наземное испытание перед отменой программы.
С другой стороны, ядерно-электрическая двигательная установка (NEP) полагается на ядерный реактор, который обеспечивает электроэнергией двигатель на эффекте Холла (ионный двигатель), который генерирует электромагнитное поле, которое ионизирует и ускоряет инертный газ (например, ксенон) для движения. Попытки разработать эту технологию включают проект «Прометей » Инициативы ядерных систем НАСА (NSI) 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 их тяги довольно низкий по сравнению с обычными ракетами и NTP.
Потребность в источнике электроэнергии, по словам Райана 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 (изменение скорости).
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.
Предложение 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. Это должно обеспечить уровни тяги, сравнимые с концепцией NTP класса NERVA, но с Isp 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. Такая бимодальная конструкция обеспечивает быстрый переход для пилотируемых миссий (45 дней до Марса) и революционизирует исследования дальнего космоса».
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 экипаж будет проводить в пути минимум от шести до девяти месяцев.
Полет продолжительностью 45 дней (шесть с половиной недель) сократит общее время миссии до нескольких 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 миссий.
Подпишитесь на наш канал в Telegram
