Проектирование ядерных ракет для Марса – непростая задача

Ракеты с ядерным двигателем однажды смогут обеспечить более быстрые космические путешествия. Автор: <a class="source" href="https://www.nasa.gov/news-release/nasa-announces-nuclear-thermal-propulsion-reactor-concept-awards/">NASA</a>

НАСА планирует отправить пилотируемые миссии на Марс в течение следующего десятилетия, но путешествие длиной в 140 миллионов миль (225 миллионов километров) до Красной планеты может занять от нескольких месяцев до нескольких лет в оба конца.

Это относительно долгое время транзита является результатом использования традиционного химического ракетного топлива. Альтернативная технология химическим ракетам, которую агентство разрабатывает сейчас, называется ядерным термическим двигателем, который использует ядерное деление и может однажды обеспечить энергией ракету, которая совершит путешествие всего за половину времени.

NASA и Defense Advanced Research Projects Agency 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, которая будет построена и эксплуатироваться США.

Ядерная тепловая тяга могла бы также однажды стать источником энергии для маневренных космических платформ, которые будут защищать американские спутники на орбите Земли и за ее пределами. Но эта технология все еще находится в стадии разработки.

Я доцент кафедры ядерной инженерии в Технологическом институте Джорджии, чья исследовательская группа создает модели и симуляции для улучшения и оптимизации конструкций ядерных тепловых двигательных установок. Моя надежда и страсть — помочь в проектировании ядерного тепловых двигателей, которые доставят пилотируемую миссию на Марс.

Ядерное и химическое топливо

Обычные химические двигательные установки используют химическую реакцию с участием легкого топлива, такого как водород, и окислителя. При смешивании эти два компонента воспламеняются, что приводит к очень быстрому выходу топлива из сопла, приводя в движение ракету.

Эти системы не требуют никакой системы зажигания, поэтому они надежны. Но эти ракеты должны нести с собой в космос кислород, что может их утяжелить. В отличие от химических двигательных установок, ядерные тепловые двигательные установки полагаются на ядерные реакции деления для нагрева топлива, которое затем выбрасывается из сопла для создания движущей силы или тяги.

Во многих реакциях деления исследователи посылают нейтрон к более легкому изотопу урана, урану-235. Уран поглощает нейтрон, создавая уран-236. Затем уран-236 распадается на два фрагмента — продукты деления — и реакция испускает некоторые различные частицы.

Более 400 действующих ядерных энергетических реакторов по всему миру в настоящее время используют технологию ядерного деления. Большинство действующих ядерных энергетических реакторов — это легководные реакторы. Эти ядерные реакторы используют воду для замедления нейтронов, а также для поглощения и передачи тепла. Вода может создавать пар непосредственно в активной зоне или в парогенераторе, который приводит в действие турбину для выработки электроэнергии.

Ядерные тепловые двигательные установки работают похожим образом, но они используют другое ядерное топливо, в котором больше урана-235. Они также работают при гораздо более высокой температуре, что делает их чрезвычайно мощными и компактными. Ядерные тепловые двигательные установки имеют примерно в 10 раз большую плотность мощности, чем традиционный легководный реактор.

Ядерное топливо может иметь преимущество перед химическим по нескольким причинам.

Ядерная тяга будет выбрасывать топливо из сопла двигателя очень быстро, создавая большую тягу. Эта большая тяга позволяет ракете быстрее разгоняться.

Эти системы также имеют высокий удельный импульс. Удельный импульс измеряет, насколько эффективно используется топливо для создания тяги. Ядерные тепловые двигательные системы имеют примерно в два раза больший удельный импульс, чем химические ракеты, что означает, что они могут сократить время полета в 2 раза.

История ядерных тепловых двигателей

В течение десятилетий правительство США финансировало разработку технологии ядерного теплового движения. В период с 1955 по 1973 год в рамках программ NASA, General Electric и Argonne National Laboratories было произведено и испытано на земле 20 ядерных тепловых двигателей.

Но эти конструкции до 1973 года полагались на 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 сокращению угрозы, запущенная Министерством энергетики и Национальным управлением по ядерной безопасности, направлена на перевод многих исследовательских реакторов, использующих высокообогащенное урановое топливо, на топливо с высоким содержанием низкообогащенного урана (HALEU).

Высокопробное, низкообогащенное урановое топливо имеет меньше материала, способного подвергаться реакции деления, по сравнению с высокообогащенным урановым топливом. Поэтому ракеты должны иметь больше загруженного топлива HALEU, что делает двигатель тяжелее. Чтобы решить эту проблему, исследователи изучают специальные материалы, которые будут использовать топливо более эффективно в этих реакторах.

Программа NASA и DARPA's Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO) намерена использовать это высокопробное, низкообогащенное урановое топливо в своем ядерном тепловом двигателе. Программа планирует запустить свою ракету в 2027 году.

В рамках программы DRACO аэрокосмическая компания Lockheed Martin объединилась с BWX Technologies для разработки конструкций реактора и топлива.

Ядерные тепловые двигатели, разрабатываемые этими группами, должны будут соответствовать определенным стандартам производительности и безопасности. Им понадобится ядро, которое может работать в течение всей миссии и выполнять необходимые маневры для быстрого путешествия на Марс.

В идеале двигатель должен обладать способностью развивать высокие удельные импульсы, а также удовлетворять требованиям к высокой тяге и малой массе двигателя.

Текущие исследования

Прежде чем инженеры смогут спроектировать двигатель, который будет соответствовать всем этим стандартам, им нужно начать с моделей и симуляций. Эти модели помогают исследователям, таким как те, кто в моей группе, понять, как двигатель будет справляться с запуском и остановкой. Это операции, которые требуют быстрых, массивных изменений температуры и давления.

Ядерный тепловой двигатель будет отличаться от всех существующих систем ядерного деления, поэтому инженерам необходимо будет создать программные инструменты, работающие с этим новым двигателем.

Моя группа проектирует и анализирует ядерные тепловые двигательные реакторы с использованием моделей. Мы моделируем эти сложные реакторные системы, чтобы увидеть, как такие вещи, как изменения температуры, могут повлиять на реактор и безопасность ракеты. Но моделирование этих эффектов может потребовать много дорогостоящей вычислительной мощности.

Мы работаем над созданием новых вычислительных инструментов, которые моделируют работу этих реакторов во время запуска и эксплуатации, не используя при этом больших вычислительных мощностей.

Я и мои коллеги надеемся, что это исследование когда-нибудь поможет разработать модели, которые смогут автономно управлять ракетой.

Источник: The Conversation