Ми живемо в епоху відновлення космічних досліджень, коли кілька агентств планують відправити астронавтів на Місяць у найближчі роки. У наступному десятилітті NASA та Китай відправлять екіпажі на Марс, а незабаром до них можуть приєднатися й інші країни. Ці та інші місії, які виведуть астронавтів за межі низької навколоземної орбіти (НОО) і системи Земля-Місяць, потребують нових технологій, починаючи від життєзабезпечення і захисту від радіації і закінчуючи енергією і рушійною силою. І коли справа доходить до останнього, ядерно-тепловий і ядерно-електричний двигун (NTP/NEP) є головним претендентом на перемогу!
В рамках програми NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) на 2023 рік NASA обрало ядерну концепцію для першої фази розробки. Цей новий клас бімодальних ядерних силових установок використовує «хвильовий цикл розгону ротора» і може скоротити час польоту на Марс до 45 днів.
Пропозиція під назвою Бімодальна NTP/NEP з циклом розгону хвильового ротора була висунута професором Райаном Госсе, керівником програми з гіперзвуку в Університеті Флориди і членом команди Флоридської програми прикладних досліджень в інженерії (FLARE). Пропозиція Госсе є однією з 14, відібраних NAIC цього року для першої фази розвитку, яка включає грант у розмірі $12 500 на допомогу в розвитку технологій і методів, пов’язаних з цим проєктом. Інші пропозиції включали інноваційні сенсори, прилади, технології виробництва, енергетичні системи тощо.
Ядерна енергетика по суті зводиться до двох концепцій, обидві з яких покладаються на технології, що пройшли ретельні випробування і перевірку. Для ядерно-термічного руху (ЯТР) цикл складається з ядерного реактора, який нагріває рідкий водень (LH2), перетворюючи його на іонізований газоподібний водень (плазму), що потім спрямовується через сопла для створення тяги. Було зроблено кілька спроб створити випробувальну версію цієї рушійної системи, в тому числі проєкт Rover, спільний проєкт ВПС США і Комісії з атомної енергії, який було запущено в 1955 році.
У 1959 році NASA перейняло керівництво від ВПС США, і програма вступила в нову фазу, присвячену застосуванню в космічних польотах. Зрештою, це призвело до створення ядерного двигуна для ракетних транспортних засобів (NERVA) – ядерного реактора з твердою серцевиною, який успішно пройшов випробування. Із завершенням ери Apollo в 1973 році фінансування програми було різко скорочено, що призвело до її скасування ще до того, як були проведені будь-які льотні випробування.
Ядерно-електричний рух (ЯЕР), з іншого боку, покладається на ядерний реактор для забезпечення електроенергією рушія на ефекті Холла (іонний двигун), який генерує електромагнітне поле, що іонізує і прискорює інертний газ (наприклад, ксенон) для створення тяги. Спроби розробити цю технологію включають проєкт NASA Prometheus в рамках Ініціативи ядерних систем (NSI).
Обидві системи мають значні переваги над традиційними хімічними двигунами, включаючи вищий питомий імпульс (Isp), паливну ефективність і практично необмежену густину енергії. Хоча концепції відрізняються тим, що забезпечують питомий імпульс понад 10 тис. секунд, тобто можуть підтримувати тягу протягом майже трьох годин, рівень тяги є досить низьким порівняно зі звичайними ракетами і NTP.
Потреба в електричному джерелі енергії, за словами Госсе, також піднімає питання відведення тепла в космосі, де перетворення теплової енергії становить 30-40% за ідеальних умов. І хоча проєкти NTP NERVA є найкращим методом для пілотованих місій на Марс і за його межі, цей метод також має проблеми із забезпеченням адекватної початкової і кінцевої масової частки для місій з високою дельта-перенапругою.
Ось чому перевага надається пропозиціям, які включають обидва методи руху (бімодальні), оскільки вони поєднують переваги обох. Пропозиція Госсе передбачає бімодальну конструкцію на основі твердопаливного реактора NERVA, який забезпечить питомий імпульс (Isp) 900 секунд, що вдвічі перевищує нинішню продуктивність хімічних ракет.
Запропонований Госсе цикл також включає хвильовий нагнітач тиску або хвильовий ротор (WR) – технологію, що використовується у двигунах внутрішнього згоряння, яка використовує хвилі тиску, що утворюються в результаті реакції стиснення всмоктуваного повітря.
У парі з NTP-двигуном WR використовуватиме тиск, створений нагріванням палива LH2 в реакторі, для подальшого стиснення реакційної маси. Як обіцяє Госсе, це забезпечить рівні тяги, порівнянні з тягою концепції NTP класу NERVA, але з часом виведення на орбіту 1400-2000 секунд. У поєднанні з циклом NEP, за словами Госсе, рівень тяги ще більше підвищується.
За умови використання традиційних двигунів пілотована місія на Марс може тривати до трьох років. Ці місії стартуватимуть кожні 26 місяців, коли Земля і Марс перебувають на найближчій відстані (так зване марсіанське протистояння), і витрачатимуть щонайменше від шести до дев’яти місяців на транзит.
Транзит тривалістю 45 днів (шість з половиною тижнів) скоротив би загальний час місії до місяців замість років. Це значно зменшило б основні ризики, пов’язані з місіями на Марс, включаючи радіаційне опромінення, час, проведений в умовах мікрогравітації, і пов’язані з цим проблеми зі здоров’ям.
На додачу до силових установок, є пропозиції щодо нових конструкцій реакторів, які забезпечать стабільне енергопостачання для довготривалих наземних місій, де сонячна і вітрова енергія не завжди є доступною.
Прикладами можуть слугувати кіловатний реактор NASA з використанням технології Стерлінга (KRUSTY) і гібридний реактор поділу/злиття, обраний для першої фази розробки NASA в рамках програми NAIC 2023. Ці та інші ядерні технології можуть колись уможливити пілотовані місії на Марс та інші місця у далекому космосі, можливо, раніше, ніж ми думаємо!
Теж цікаво:
Leave a Reply