Мы живем в эпоху возобновления исследования космоса, когда несколько агентств планируют отправить астронавтов на Луну в ближайшие годы. В следующем десятилетии за этим последуют пилотируемые миссии на Марс НАСА и Китая, к которым вскоре могут присоединиться другие страны.
Эти и другие миссии, которые выведут астронавтов за пределы низкой околоземной орбиты (НОО) и система Земля-Луна требуют новых технологий, начиная от жизнеобеспечения и радиационной защиты и заканчивая энергией и двигателем. главный претендент!
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 бимодальных ядерных двигателей. двигатель — система, состоящая из двух частей, состоящая из элементов NTP и NEP, — которая может обеспечить переход на Марс за 100 дней.
Новый класс бимодальных NTP/NEP с циклом посадки волнового ротора, обеспечивающим быстрый переход на Марс. (Райан Госсе)
В рамках программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) на 2023 год НАСА выбрало ядерную концепцию для первого этапа разработки. Этот новый класс бимодальной ядерной двигательной установки использует «цикл приведения в движение волнового ротора» и может сократить время полета до Марса всего до 45 дней.
Предложение под названием «Бимодальный NTP/NEP с циклом приведения в движение волнового ротора» было выдвинуто профессором Райаном Госсе, руководителем программы по гиперзвуку в Университете Флориды и членом команды Флоридских прикладных исследований в области инженерии (FLARE).
Предложение Госсе является одним из 14 выбранных NAIC в этом году для этапа I разработки, который включает грант в размере 12 500 долларов США для помощи в совершенствовании используемых технологий и методов. Другие предложения включали инновационные датчики, инструменты, технологии производства, энергетические системы и многое другое.
Ядерный двигатель по существу сводится к двум концепциям, каждая из которых основана на технологиях, которые были тщательно протестированы и проверены.
Для ядерно-тепловой двигательной установки (NTP) цикл состоит из ядерного реактора, который нагревает топливо в виде жидкого водорода (LH2) и превращает его в ионизированный газообразный водород (плазму), который затем направляется через сопла для создания тяги.
Было предпринято несколько попыток испытать эту силовую установку, включая Project Rover, совместный проект ВВС США и Комиссии по атомной энергии (AEC), запущенный в 1955 году.
In В 1959 году НАСА сменило ВВС США, и программа вступила в новую фазу, посвященную космическим полетам. Это в конечном итоге привело к созданию ядерного двигателя для ракетных транспортных средств (NERVA), твердотопливного ядерного реактора, который был успешно испытан.
С закрытием эры Аполлона в 1973 году финансирование программы резко сократилось. что привело к его отмене до того, как можно было провести какие-либо летные испытания. Между тем, в период с 1965 по 1980 год Советы разработали свою собственную концепцию НТП (РД-0410) и провели одно наземное испытание до отмены программы.
Ядерно-электрическая двигательная установка (НЭП), с другой стороны, полагается на на ядерном реакторе, чтобы обеспечить 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 проект Prometheus в рамках Инициативы ядерных систем НАСА (NSI) (2003–2005 гг.).
Обе системы имеют значительные преимущества по сравнению с обычными химическими двигателями, включая более высокий показатель удельного импульса (Isp), эффективность использования топлива. , и практически неограниченная плотность энергии.
Хотя 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 полетов 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 предложения, которые включают оба методы движения (бимодальные) предпочтительнее, так как они будут сочетать 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 вдвое превышает текущие характеристики химических ракет.
Предложенный Госсе цикл также включает волну давления. нагнетатель — или волновой ротор (WR) — технология, используемая 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 нагрев в реакторе топлива LH2 для дальнейшего сжатия реакционной массы. Как обещает Госсе, это обеспечит уровни тяги, сравнимые с концепцией NTP класса NERVA, но с Isp 1400-2000 секунд. По словам Госсе, в сочетании с циклом NEP уровни тяги увеличиваются еще больше:
«В сочетании с циклом NEP рабочий цикл Isp может быть дополнительно увеличен (1800–4000 секунд) с минимальным добавление сухой массы. Эта бимодальная конструкция обеспечивает быстрый переход для пилотируемых миссий (45 дней до Марса) и революционизирует исследование дальнего космоса нашей Солнечной системы».
Основанный на традиционной двигательной технологии, миссия с экипажем на Марс может длиться до трех лет. Эти миссии будут запускаться каждые 26 месяцев, когда Земля и Марс находятся на максимальном расстоянии друг от друга (так называемое противостояние Марса), и будут проводить в пути от шести до девяти месяцев.
Транзит 45 дней (шесть и полторы недели) 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.
Помимо двигателей, есть предложения по новым конструкциям реакторов, которые обеспечат стабильный источник питания для длительных наземных миссий, где солнечная и ветровая энергия не всегда доступны.
Примеры включают киломощный реактор НАСА с использованием технологии Sterling Technology (KRUSTY) и гибридный ядерно-термоядерный реактор, выбранный для первого этапа разработки. по выбору NASA NAIC 2023.
Источник: news.rambler.ru
