Космический корабль с ядерной установкой: почему мечты об атомных ракетах снова актуальны

<a href="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-fancybox data-src="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-6.jpg" data-caption="Становление ядерным Американская ракета DRACO будет использовать тепло реактора деления для вывода в космос. (Любезно предоставлено: Lockheed Martin)»>

В 1914 году Герберт Уэллс опубликовал Мир бесплатно, роман, основанный на идее о том, что однажды радий может стать источником энергии для космических кораблей. Уэллс, который был знаком с работами таких физиков, как Эрнест Резерфорд, знал, что радий может производить тепло, и предполагал, что его можно будет использовать для вращения турбины. Книга могла бы быть художественным произведением, но Мир бесплатно правильно предвидел потенциал того, что можно было бы назвать «атомными космическими кораблями».

Идея использования ядерной энергии для космических путешествий зародилась в 1950-х годах, когда общественность, ставшая свидетелем ужасов Хиросимы и Нагасаки, постепенно убедилась в полезности ядерной энергии в мирных целях. Благодаря таким программам, как американская Атом для мираЛюди начали понимать, что ядерную энергию можно использовать для производства энергии и транспорта. Но, пожалуй, самое радикальное применение связано с космическими полетами.

Среди самых ярых сторонников космических путешествий на ядерной энергии был выдающийся физик-математик. Фримен Дайсон. В 1958 году он взял годовой творческий отпуск в Институте перспективных исследований в Принстоне, чтобы поработать в General Atomics в Сан-Диего над проектом под кодовым названием «Орион». Детище Теда Тейлора – физика, который работал над проектом создания атомной бомбы на Манхэттене в Лас-Аламосе – Проект Orion целью было построить 4000-тонный космический корабль, который будет использовать 2600 ядерных бомб для вывода в космос.

Сбрасывание атомных бомб из задней части космического корабля звучит безумно с точки зрения экологии, но Дайсон подсчитал, что «только» 0.1–1 американца заболеют раком от этого метода. Проект даже поддержал эксперт по ракетам Вернер фон Брауни была проведена серия неядерных испытательных полетов. К счастью, Договор о частичном запрещении ядерных испытаний 1963 года. положил конец проекту «Орион», а сам Дайсон позже отказался от поддержки атомных космических кораблей, запоздало осознав их опасность для окружающей среды.

Несмотря на завершение проекта «Орион», привлекательность ядерных двигателей так и не исчезла (см. вставку «Ядерные космические путешествия: краткая история») и сейчас переживает своего рода возрождение. Однако вместо использования атомных бомб идея состоит в том, чтобы передать энергию от ядерного реактора деления топливному топливу, которое будет нагрето примерно до 2500 К и выброшено через сопло в процессе, называемом «ядерным тепловым движением» (NTP). . Альтернативно, энергия деления может ионизировать газ, который будет выпущен из задней части космического корабля – это так называемая «ядерная электрическая двигательная установка» (ЯЭП).

Итак, являются ли космические путешествия на ядерной энергии реалистичной перспективой, и если да, то какая технология победит?

Ядерный импульс

Большинство обычных ракет работают на обычном химическом топливе. Сатурн V ракета например, которые доставили астронавтов на Луну в конце 1960-х и начале 1970-х годов, использовали жидкое топливо, в то время как ракетные ускорители, которые так эффектно вышли из строя во время запуска космического челнока Претендент в 1986 г. содержал твердое топливо.

В последнее время, Ракеты Falcon компании Space XНапример, использовали смесь керосина и кислорода. Проблема в том, что все такие топлива имеют относительно небольшую «плотность энергии» (энергию, запасаемую в единице объема) и низкий «удельный импульс» (эффективность, с которой они могут создавать тягу). Это означает, что общая тяга ракеты – удельный импульс, умноженный на массовый расход выхлопных газов и гравитацию Земли – мала.

Таким образом, химическое топливо может помочь вам только до определенного момента, а Луна является традиционным пределом. Чтобы достичь далеких планет и других мест в «глубоком космосе», космические корабли обычно используют гравитационное притяжение множества разных планет. Однако такие путешествия обходны и занимают много времени. Миссия НАСА «Юнона», например, нуждалась в пять лет чтобы добраться до Юпитера, а кораблю "Вояджер" потребовалось более 30 лет, чтобы достичь край солнечной системы. Такие миссии также ограничены узкими и нечастыми окнами запуска.

Вместо этого ядерный космический корабль будет использовать энергию деления для нагрева топлива (рис. 1) – скорее всего, криогенно хранящегося жидкого водорода, который имеет низкую молекулярную массу и высокую теплоту сгорания. «Ядерная тяга, электрическая или тепловая, может извлекать больше энергии из заданной массы топлива, чем это возможно при использовании силовой установки, основанной на сжигании», — говорит Дейл Томас, бывший заместитель директора Центра космических полетов имени Маршалла НАСА, ныне работающий в Университете Алабамы в Хантсвилле.

Томас говорит, что самые эффективные сегодня химические двигательные установки могут достичь специфический импульс около 465 секунд. НТП, напротив, может иметь удельный импульс почти 900 секунд из-за более высокой плотности мощности ядерных реакций. В сочетании с гораздо более высокой тяговооружённостью NTP сможет доставить ракету на Марс всего за 500 дней, а не за 900.

«Отношение тяги к весу имеет решающее значение, поскольку оно определяет способность космического корабля ускоряться, что особенно важно на ключевых этапах миссии, таких как выход из-под земного притяжения или маневрирование в глубоком космосе», — говорит Мауро Ауджелли, руководитель отдела стартовых систем Космического агентства Великобритании. «С другой стороны, удельный импульс является мерой того, насколько эффективно ракета использует свое топливо».

Ядерная двигательная установка, электрическая или тепловая, может извлекать больше энергии из заданной массы топлива, чем это возможно с помощью двигательной установки, основанной на сжигании топлива.

Дейл Томас, Университет Алабамы в Хантсвилле

По сути, при заданном количестве топлива космический корабль с ядерной установкой может двигаться быстрее и поддерживать тягу в течение более длительных периодов времени, чем химическая ракета. Поэтому это было бы здорово для пилотируемых миссий на Марс – астронавты не только смогли бы совершить путешествие быстрее, но и в результате подверглись бы меньшему воздействию космической радиации. «Более того, более короткая продолжительность миссий снижает проблемы с логистикой и жизнеобеспечением, делая исследование дальнего космоса более осуществимым и безопасным», — добавляет Ауджелли.

Но ядерная энергетика – это не только сокращение времени в пути. У НАСА также есть специальная программа на его Исследовательский центр Гленна в Кливленде, штат Огайо, использовать ядерное деление – вместо солнечной энергии или химического топлива – для питания космических кораблей, когда они достигнут пункта назначения. «Ядерная энергия предлагает уникальные преимущества для работы в экстремальных условиях и в регионах космоса, где солнечные и химические системы либо неадекватны, либо невозможны в качестве источников энергии для длительной эксплуатации», — говорит менеджер программы. Линдси Калдон.

Вернуться в действие

В 2020 году правительство США снова включило ядерные космические корабли в повестку дня. награда почти в 100 миллионов долларов трем фирмам – General Atomics, Lockheed Martin и Blue Origin. Они будут использовать деньги для работы над Демонстрационная ракета для гибких окололунных операций (DRACO), которая финансируется через DARPA исследовательское агентство Министерства обороны США. На первом этапеКомпании будут стремиться показать, что NTP можно использовать для запуска ракеты над низкой околоземной орбитой, а DARPA стремится к тому, чтобы соотношение тяги к весу было на одном уровне с существующими химическими ракетными системами.

<a data-fancybox data-src="https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-3.jpg" data-caption="Энергия по требованию A fission surface power system like this one could provide safe, efficient and reliable electrical power on the Moon and Mars. (Courtesy: NASA)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoaistream.com/wp-content/uploads/2024/01/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on-physics-world-3.jpg”>

Табита Додсон, руководитель программы DARPA DRACO, считает, что успешный запуск и полет ядерного космического реактора по программе DRACO произведет революцию в космических полетах. «В отличие от сегодняшних химических систем, которые достигли предела своего развития, теоретически предполагается, что ядерные технологии разовьются до таких систем, как термоядерный синтез и выше», — говорит она. «Космические корабли, созданные для маневрирования и приводимые в движение ядерными реакторами, позволят человечеству идти дальше, с более высокими шансами на выживание и успех в любом типе миссий».

В рамках программы DRACO General Atomics спроектирует реактор NTP и разработает проект двигательной подсистемы, а Blue Origin и Lockheed Martin спроектируют сам космический корабль. Реактор деления будет использовать специальный высокопробный низкообогащенный уран (HALEU), который можно производить с использованием топлива, переработанного из существующих ядерных реакторов. Содержащий только 20% обогащенный уран, он непригоден для использования в ядерном оружии.

Реактор не будет включен (т.е. не достигнет критического состояния) до тех пор, пока корабль не достигнет «ядерно-безопасной» орбиты. Другими словами, в маловероятном случае чрезвычайной ситуации любое загрязнение будет безвредно рассеяно в космосе. Lockheed Martin уже объединила усилия с Технологии BWX из Линчберга, штат Вирджиния, для разработки реактора и производства топлива HALEU. BWX заявляет, что ракета DRACO может запуститься как только 2027.

Воздушно-реактивные ракетные двигатели: будущее космических полетов

В другом месте, исследователи из Национальной лаборатории Айдахо в США помогают НАСА разрабатывать и испытывать материалы, необходимые для ядерной ракеты. Испытание переходного реактора (TREAT) объект возле Айдахо-Фолс. В прошлом году они уже провели пробный запуск для проверки компьютерных моделей и тестирования нового датчика и экспериментальной капсулы. В долгосрочной перспективе цель состоит в том, чтобы определить, какие материалы, композитные конструкции и соединения урана лучше всего работают в чрезвычайно жарких условиях реактора NTP.

Тепло от реактора будет нагревать водородное топливо, что обеспечивает самое большое изменение скорости – то, что ученые-ракетчики называют Δ.v – для заданной массы. Обратной стороной водорода является то, что он имеет низкую плотность и для ракеты потребуются большие резервуары. Другие топлива, такие как аммиак, имеют более низкую Δv на килограмм топлива, но они гораздо плотнее. В Хантсвилле Томас показал, что аммиак был бы идеальным топливом для доставки астрономов на Марс из космического агентства НАСА. Лунные Врата – космическая станция, которая будет вращаться вокруг Луны.

Опубликовав обзор технологии NTP для Американского института аэронавтики и астронавтики в 2020 году Томас пришел к выводу, что обычные системы NTP, которые обеспечивают большую тягу для коротких периодов продолжительностью около 50 минут, будут идеальными для пролетов и миссий сближения. Но существуют также «бимодальные» системы, сочетающие НТП и НЭП (см. вставку «Проблемы ядерных электродвигателей»). Первый дает быстрые всплески высокой тяги, а второй обеспечивает низкую тягу в течение более длительных периодов времени — идеально подходит для длительных полетов туда и обратно.

Кейт Хаггерти Келли, директор по космосу и инжинирингу в BWX Technologies, говорит, что в целом ядерная тепловая двигательная установка может быть в два-пять раз более эффективной, чем химические двигательные установки, обеспечивая при этом высокую тягу. «[Напротив, ядерные электрические двигательные установки могут обеспечить более высокую эффективность, но меньшую тягу, а энергия, вырабатываемая в результате ядерного деления, может быть преобразована в электричество для обеспечения энергией подсистем космического корабля».

Так что же лучше использовать NTP или NEP для операций в дальнем космосе? По словам Томаса, это будет зависеть от типа миссии. «Для миссий определенного класса, таких как научные космические корабли, масса которых превышает определенную массу, или миссий с экипажем, или для определенных направлений, лучшим выбором будет NTP, тогда как для других миссий лучшим будет NEP. Как и поездка на автомобиле, это зависит от расстояния, количества багажа, который вы берете с собой, требований вашего графика и так далее».

Ядерное будущее

НАСА уже рассматривает возможность запуска нескольких космических миссий на ядерной энергии. В соответствии с отчет, опубликованный в июне 2021 г.В их число могут входить корабли, которые будут вращаться вокруг различных спутников Урана и Юпитера, а также другие, которые будут вращаться вокруг спутника Нептуна Тритона и приземляться на нем. В докладе также предусматривается выход ракеты с ядерной установкой на полярную орбиту вокруг Солнца и, возможно, даже полет в межзвездное пространство.

В конечном счете, ядерное движение того или иного типа будет – либо отдельно, либо в сочетании с другим типом движения – станет важной частью будущих космических усилий человечества. Учитывая, что НАСА, Космическое агентство Великобритании и Европейское космическое агентство рассматривают космические полеты на ядерной энергии, я держу пари, что первые пилотируемые миссии на Марс к 2030-м годам будут использовать ту или иную форму этой технологии. Я уверен, что мечта Фримена Дайсона вскоре увидит свет.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/nuclear-powered-spacecraft-why-dreams-of-atomic-rockets-are-back-on/