|
Ядерные ракеты могли бы долететь до Марса в два раза быстрее
|
|
|
|
НАСА планирует отправить на Марс миссии с экипажами в течение следующего десятилетия, но путешествие на Красную планету протяженностью 140 миллионов миль (225 миллионов километров) может занять от нескольких месяцев до нескольких лет в оба конца.
|
|
|
|
Такое относительно длительное время полета является результатом использования традиционного химического ракетного топлива. В настоящее время агентство разрабатывает технологию, альтернативную ракетам с химическим двигателем, которая называется ядерно-тепловой двигательной установкой, которая использует ядерное деление и может в один прекрасный день привести в действие ракету, которая совершит полет в два раза быстрее.
|
|
|
|
Ядерное деление включает в себя получение невероятного количества энергии, выделяющейся при расщеплении атома нейтроном. Эта реакция известна как реакция деления. Технология ядерного деления хорошо зарекомендовала себя в производстве электроэнергии и на атомных подводных лодках, и ее применение для приведения в действие ракет может однажды дать НАСА более быструю и мощную альтернативу ракетам с химическим приводом.
|
|
|
|
|
|
|
НАСА и Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов совместно разрабатывают технологию NTP. Они планируют развернуть и продемонстрировать возможности прототипа системы в космосе в 2027 году, что потенциально сделает ее одной из первых в своем роде, которые будут созданы и эксплуатироваться в США.
|
|
|
|
Ядерные тепловые двигатели также могут в один прекрасный день привести в действие маневренные космические платформы, которые будут защищать американские спутники на околоземной орбите и за ее пределами. Но технология все еще находится в стадии разработки.
|
|
|
|
Я доцент кафедры ядерной инженерии в Технологическом институте Джорджии, исследовательская группа которого разрабатывает модели и симуляторы для улучшения и оптимизации конструкций ядерных тепловых двигательных установок. Я надеюсь и страстно желаю помочь в разработке ядерного теплового двигательного двигателя, который будет использоваться для полета на Марс с экипажем.
|
|
Ядерный двигатель против химического
|
|
|
|
В обычных химических двигательных установках используется химическая реакция с участием легкого топлива, такого как водород, и окислителя. При смешивании эти два компонента воспламеняются, в результате чего топливо очень быстро выходит из сопла и приводит ракету в движение.
|
|
|
|
Эти системы не требуют какой-либо системы зажигания, поэтому они надежны. Но эти ракеты должны нести с собой в космос кислород, что может привести к их утяжелению. В отличие от химических двигательных установок, ядерные тепловые двигательные установки основаны на реакциях ядерного деления для нагрева топлива, которое затем выбрасывается из сопла для создания движущей силы или тяги.
|
|
|
|
Во многих реакциях деления исследователи направляют нейтрон в сторону более легкого изотопа урана, урана-235. Уран поглощает нейтрон, образуя уран-236. Затем уран-236 распадается на два фрагмента — продукты деления, и в результате реакции выделяются различные частицы.
|
|
|
|
В настоящее время в мире эксплуатируется более 400 ядерных энергетических реакторов, использующих технологию ядерного деления. Большинство из этих действующих ядерных энергетических реакторов являются легководными. В этих реакторах для замедления нейтронов, а также для поглощения и передачи тепла используется вода. Вода может создавать пар непосредственно в активной зоне или в парогенераторе, который приводит в действие турбину для выработки электроэнергии.
|
|
|
|
Ядерные тепловые двигательные установки работают аналогично, но в них используется другое ядерное топливо, содержащее больше урана-235. Они также работают при гораздо более высокой температуре, что делает их чрезвычайно мощными и компактными. Ядерные тепловые двигательные установки обладают примерно в 10 раз большей удельной мощностью, чем традиционные реакторы на легкой воде.
|
|
|
|
Ядерная двигательная установка может по ряду причин превзойти химическую двигательную установку.
|
|
|
|
Ядерная двигательная установка будет очень быстро выбрасывать топливо из сопла двигателя, создавая высокую тягу. Такая высокая тяга позволяет ракете разгоняться быстрее.
|
|
|
|
Эти системы также обладают высоким удельным импульсом. Удельный импульс определяет эффективность использования топлива для создания тяги. Удельный импульс ядерных тепловых двигателей примерно в два раза превышает удельный импульс химических ракет, что означает, что они могут сократить время полета в 2 раза.
|
|
История ядерных тепловых двигателей
|
|
|
|
На протяжении десятилетий правительство США финансировало разработку технологии ядерных тепловых двигателей. В период с 1955 по 1973 год в рамках программ НАСА, General Electric и Аргоннской национальной лаборатории было изготовлено и испытано на земле 20 ядерных тепловых двигателей.
|
|
|
|
Но в этих разработках, созданных до 1973 года, использовалось высокообогащенное урановое топливо. Это топливо больше не используется из-за его опасности распространения или опасностей, связанных с распространением ядерных материалов и технологий.
|
|
|
|
Глобальная инициатива по уменьшению угрозы, выдвинутая Министерством энергетики и Национальной администрацией по ядерной безопасности, направлена на перевод многих исследовательских реакторов, работающих на топливе из высокообогащенного урана, на топливо из низкообогащенного урана с высокой степенью очистки или HALEU.
|
|
|
|
По сравнению с высокообогащенным урановым топливом, низкообогащенное урановое топливо содержит меньше вещества, способного к реакции деления. Таким образом, в ракетах требуется больше ГАЛЕУ-топлива, что делает двигатель тяжелее. Чтобы решить эту проблему, исследователи изучают специальные материалы, которые позволили бы более эффективно использовать топливо в этих реакторах.
|
|
|
|
НАСА и программа DARPA "Демонстрационная ракета для маневренных окололунных полетов" (DRACO) намерены использовать это высокообогащенное урановое топливо в своем ядерном двигателе с тепловой установкой. Запуск ракеты запланирован на 2027 год.
|
|
|
|
В рамках программы DRACO аэрокосмическая компания Lockheed Martin в партнерстве с BWX Technologies разработала конструкцию реактора и топлива.
|
|
|
|
Ядерные тепловые двигательные установки, разрабатываемые этими группами, должны будут соответствовать определенным стандартам производительности и безопасности. Им потребуется ядро, способное работать в течение всего срока полета и выполнять необходимые маневры для быстрого полета на Марс.
|
|
|
|
В идеале двигатель должен быть способен генерировать высокие удельные импульсы, а также удовлетворять требованиям к высокой тяге и малой массе двигателя.
|
|
Исследования продолжаются
|
|
|
|
Прежде чем инженеры смогут спроектировать двигатель, отвечающий всем этим стандартам, им необходимо начать с моделирования. Эти модели помогают исследователям, например, из моей группы, понять, как двигатель будет работать при запуске и выключении. Эти операции требуют быстрых и значительных изменений температуры и давления.
|
|
|
|
Ядерный тепловой двигательный аппарат будет отличаться от всех существующих энергетических систем, работающих на ядерном делении, поэтому инженерам необходимо будет разработать программные средства, которые будут работать с этим новым двигателем.
|
|
|
|
Моя группа разрабатывает и анализирует ядерные тепловые двигательные установки с использованием моделей. Мы моделируем эти сложные реакторные системы, чтобы увидеть, как такие факторы, как изменение температуры, могут повлиять на реактор и безопасность ракеты. Но моделирование этих эффектов может потребовать больших затрат вычислительной мощности.
|
|
|
|
Мы работаем над созданием новых вычислительных инструментов, которые моделируют работу этих реакторов во время запуска и эксплуатации без использования больших вычислительных мощностей.
|
|
|
|
Я и мои коллеги надеемся, что это исследование однажды поможет разработать модели, которые могли бы автономно управлять ракетой.
|
|
|
|
Источник
|
