 на 2023 рік NASA обрало ядерну концепцію для першої фази розробки.){kind=link}
Vi lever i en tid av förnyad rymdutforskning, med flera byråer som planerar att skicka astronauter till månen under de kommande åren. Under det kommande decenniet kommer NASA och Kina att skicka besättningar till Mars, och andra länder kan snart ansluta sig till dem. Dessa och andra uppdrag som kommer att ta astronauter bortom låg jordomloppsbana (LOO) och Earth-Moon-systemet kräver ny teknik, allt från livsuppehållande och strålskydd till energi och framdrivning. Och när det kommer till det senare är Nuclear Thermal and Nuclear Electric Propulsion (NTP/NEP) den främsta utmanaren om segern!
Som en del av 2023 års NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC)-program har NASA valt ett kärnkraftskoncept för den första utvecklingsfasen. Denna nya klass av bimodala kärnkraftverk använder en "rotoraccelerationsvågcykel" och kan minska flygtiden till Mars till 45 dagar.
Förslaget, kallat Bimodal NTP/NEP med Wave Rotor Acceleration Cycle, lades fram av professor Ryan Gosse, chef för hypersonic-programmet vid University of Florida och en medlem av Florida Program for Applied Research in Engineering (FLARE) team. Gosses förslag är ett av 14 som valts ut av NAIC i år för den första utvecklingsfasen, vilket inkluderar ett anslag på 12 500 $ för att hjälpa till att utveckla de teknologier och metoder som är associerade med projektet. Andra erbjudanden inkluderade innovativa sensorer, instrumentering, tillverkningsteknik, kraftsystem och mer.
Kärnkraft kokar i huvudsak ner till två koncept, som båda bygger på teknik som har testats och verifierats noggrant. För Nuclear Thermal Propulsion (NTP) består cykeln av en kärnreaktor som värmer flytande väte (LH2), omvandlar det till joniserad vätgas (plasma), som sedan leds genom munstycken för att skapa dragkraft. Flera försök har gjorts för att skapa en testversion av detta framdrivningssystem, inklusive projektet rover, ett gemensamt projekt av US Air Force och Atomic Energy Commission som lanserades 1955.
1959 tog NASA över från det amerikanska flygvapnet, och programmet gick in i en ny fas dedikerad till rymdfärdstillämpningar. Detta ledde så småningom till Nuclear Propulsion for Rocket Vehicles (NERVA), en kärnreaktor med fast kärna som testades framgångsrikt. Med slutet av Apollo-eran 1973 skars finansieringen av programmet drastiskt ned, vilket ledde till att det avbröts innan några flygtester genomfördes.
Nukleär elektrisk framdrivning (NEP), å andra sidan, är beroende av en kärnreaktor för att driva en Hall-effekt-propeller (jonpropeller) som genererar ett elektromagnetiskt fält som joniserar och accelererar en inert gas (som xenon) för att skapa dragkraft. Ansträngningar för att utveckla denna teknik inkluderar NASA:s Prometheus-projekt under Nuclear Systems Initiative (NSI).
Båda systemen har betydande fördelar jämfört med traditionella kemiska motorer, inklusive högre specifik impuls (Isp), bränsleeffektivitet och praktiskt taget obegränsad energitäthet. Även om koncepten skiljer sig åt genom att de ger en specifik impuls på mer än 10 tusen sekunder, det vill säga att de kan bibehålla dragkraften i nästan tre timmar, är dragkraftsnivån ganska låg jämfört med konventionella raketer och NTP:er.
Behovet av en elektrisk kraftkälla, sade Gosse, väcker också frågan om värmeavledning i rymden, där termisk energiomvandling är 30-40% under idealiska förhållanden. Och även om NERVAs NTP-design är den bästa metoden för bemannade uppdrag till Mars och bortom, har denna metod också problem med att tillhandahålla tillräckliga initiala och slutliga massfraktioner för uppdrag med hög deltasvall.
Det är därför förslag som inkluderar båda metoderna för rörelse (bimodal) är att föredra, eftersom de kombinerar fördelarna med båda. Gosses förslag innebär en bimodal design baserad på NERVA fastbränslereaktorn, som skulle ge en specifik impuls (Isp) på 900 sekunder, dubbelt så hög prestanda som kemiska raketer.
Gosses föreslagna cykel inkluderar också en vågtrycksförstärkare eller vågrotor (WR), en teknik som används i förbränningsmotorer som använder tryckvågor som skapas av insugningsluftens kompressionsreaktion.
Parat med en NTP-motor kommer WR att använda trycket som skapas genom att värma upp LH2-bränslet i reaktorn för att ytterligare komprimera reaktionsmassan. Som Gosse lovar kommer detta att ge dragkraftsnivåer jämförbara med NTP-konceptet i NERVA-klass, men med en lanseringstid på 1400 2000-XNUMX XNUMX sekunder. I kombination med NEP-cykeln, säger Gosse, ökar nivån av cravings ännu mer.
Om konventionella motorer används kan ett bemannat uppdrag till Mars pågå i upp till tre år. Dessa uppdrag kommer att starta var 26:e månad när Jorden och Mars är på deras närmaste avstånd (den så kallade Mars-oppositionen), och kommer att tillbringa minst sex till nio månader i transit.
En 45-dagars (sex och en halv vecka) transitering skulle minska den totala uppdragstiden till månader istället för år. Detta skulle avsevärt minska de största riskerna i samband med uppdrag till Mars, inklusive strålningsexponering, tid som spenderas i mikrogravitation och relaterade hälsoproblem.
Förutom kraftverk finns det förslag på nya reaktorkonstruktioner som skulle ge en stabil strömförsörjning för långvariga markuppdrag där sol- och vindkraft inte alltid är tillgänglig.
Exempel inkluderar NASA:s Kilowatt Reactor Using Sterling Technology (KRUSTY) och Fission/Fusion Hybrid Reactor som valts ut för NASA:s första utvecklingsfas under NAIC 2023-programmet. Dessa och andra kärntekniker kan en dag möjliggöra bemannade uppdrag till Mars och andra platser i rymden , kanske tidigare än vi tror!
Också intressant: