Когда-нибудь первые люди, отправившиеся на Марс, смогут добраться до места назначения на ракете, приводимой в движение ядерным реактором. Но прежде чем это произойдёт, технологиям ядерной термодинамической тяги (NTP) предстоит пройти долгий путь, прежде чем мы сможем отправить астронавтов в космос на ядерной ракете.

Однако ранее в этом месяце компания General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS) в сотрудничестве с НАСА достигла важной вехи на пути к использованию ракет NTP. В Центре космических полётов имени Маршалла НАСА в Алабаме компания General Atomics протестировала новое топливо для реактора NTP, чтобы выяснить, может ли оно работать в экстремальных условиях космоса.

По словам руководства компании, испытания показали, что топливо может выдерживать суровые условия космического полёта. «Мы очень воодушевлены положительными результатами испытаний, которые доказывают, что топливо может выдерживать эти эксплуатационные условия, что приближает нас к реализации потенциала безопасной и надёжной ядерной тепловой тяги для полётов в окололунную область и в дальний космос», — заявил в своём заявлении президент General Atomics Скотт Форни.

Чтобы протестировать топливо, компания General Atomics взяла образцы и подвергла их шести тепловым циклам, в ходе которых с помощью горячего водорода температура быстро повышалась до 2600 градусов по Кельвину или 4220 градусов по Фаренгейту. Любое ядерное топливо для термоядерных двигателей на борту космического корабля должно выдерживать экстремальные температуры и воздействие горячего водорода.

Чтобы проверить, насколько топливо устойчиво к таким условиям, General Atomics провела дополнительные испытания с различными защитными функциями, чтобы получить дополнительные данные о том, как различные усовершенствования материалов улучшают характеристики топлива в условиях, аналогичных условиям ядерного реактора. По словам компании, испытания такого типа проводились впервые.

«Насколько нам известно, мы являемся первой компанией, которая использовала установку для испытаний компактных топливных элементов в условиях окружающей среды (CFEET) в Центре космических полётов имени Маршалла НАСА для успешного тестирования и демонстрации долговечности топлива после термических циклов при типичных для водорода температурах и скоростях нарастания мощности», — заявила Кристина Бэк, вице-президент General Atomics по ядерным технологиям и материалам, в том же заявлении.

NASA и General Atomics протестировали топливо, подвергая его воздействию температур до 3000 Кельвинов (4940 градусов по Фаренгейту или 2727 градусов по Цельсию), и обнаружили, что оно хорошо работает даже при таких высоких температурах. По словам Бэка, это означает, что система NTP, использующая это топливо, может работать в два-три раза эффективнее, чем современные ракетные двигатели.

Одна из основных причин, по которой НАСА хочет создавать ракеты на с ядерным тепловым двигателем, заключается в том, что они могут быть намного быстрее, чем ракеты, которые мы используем сегодня и которые работают на традиционном химическом топливе.

Более быстрое время полёта может снизить риски для астронавтов, поскольку для более длительных полётов требуется больше припасов и более надёжных систем для поддержки астронавтов во время их пребывания в пункте назначения. Кроме того, существует проблема радиации: чем дольше астронавты находятся в космосе, тем большему воздействию космической радиации они подвергаются. Более короткое время полёта может снизить эти риски, приближая возможность пилотируемых полётов в дальний космос.

В 2023 году НАСА и Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) объявили, что работают над ядерным тепловым ракетным двигателем, чтобы НАСА могло отправить пилотируемый космический корабль на Марс. Агентство надеется провести демонстрацию уже в 2027 году.

Новости Hardware

В США успешно испытали ракетное ядерное топливо для полёта на Марс в пять раз быстрее обычной ракеты

21.01.2025 [21:05],  Геннадий Детинич

General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS) сообщила, что стала первой, кто испытал ядерное ракетное топливо в условиях максимально приближённых к эксплуатационным. Топливные сборки подверглись на стенде воздействию агрессивной водородной среды при нагреве до 2326 °C в течение 20 мин. Такое время ядерный ракетный двигатель работает при разгоне и соответственно создаёт максимальную нагрузку на топливо. Сборки GA-EMS не расплавились и остались неповреждёнными.

Известно, что военные США в рамках программы DARPA DRACO заключили контракт с компанией Lockheed Martin на сумму $499 млн на разработку ракеты на тепловом ядерном двигателе (NTP). Такой двигатель работает на нагреве рабочего тела, подаваемого в активную камеру реактора. В качестве рабочего тела выбран водород. Ядерная реакция распада будет нагревать водород, и использовать его выброс из сопла для создания реактивной тяги. Ядерное топливо в таких условиях будет подвергаться агрессивному воздействию перегретого водорода и необходимо заранее знать, как долго оно сможет оставаться рабочим.

Тестирование проводилось на установке CFEET в Центре космических полетов NASA имени Маршалла (MSFC). Как утверждают в GA-EMS, компании неизвестно о других случаях подобной проверки — они были первыми. На стенде топливо было подвергнуто шести 20-минутным термическим циклам. Каждый из циклов соответствует режиму полной тяги теплового ядерного двигателя. При этом в камеру с топливом подавался нагретый до 2326 °C водород. Проверка показала, что после всех испытаний топливные сборки оказались неповреждёнными и не получили дефектов

«Недавние результаты испытаний являются важной вехой в успешной демонстрации конструкции топлива для реакторов NTP, — сказал Скотт Форни (Scott Forney), президент GA-EMS. — Топливо должно выдерживать экстремально высокие температуры и воздействие горячего газообразного водорода, с которыми обычно сталкивается реактор NTP, работающий в космосе. Мы очень воодушевлены положительными результатами испытаний, доказывающими, что топливо способно выдерживать такие условия эксплуатации, что приближает нас к реализации потенциала безопасных и надёжных ядерных тепловых двигателей для полётов к Луне и в дальний космос».

Потенциал ядерных ракетных двигателей таков, что он позволит долететь до Марса за 45 суток, тогда как ракета на классическом жидкостном ракетном двигателе будет добираться до Красной планеты 6–7 месяцев, что, скажем прямо, крайне опасно для здоровья экипажа. Сокращение времени в пути обещает в принципе изменить подход к осуществлению космических миссий.

Процесс генерации энергии в новом реакторе аналогичен АЭС, где энергия выделяется в результате деления ядра атома. Энергетическая установка может быть востребована сразу в ряде областей, от оборонной и гражданской до промышленной и космической.

Тестовые испытания намечены на 2029 год, в ходе которых двигатель отправится на Луну.

Художественная концепция демонстрации космического корабля Rocket to Agile Cislunar Operations (DRACO), на котором будет продемонстрирован ядерный тепловой ракетный двигатель.DARPA

Через четыре года, если все пойдет хорошо, ракетный двигатель с ядерной установкой впервые отправится в космос. Сама ракета будет обычной, но полезная нагрузка, выведенная на орбиту, будет совершенно новым аппаратом.

В среду НАСА объявило, что оно сотрудничает с Министерством обороны США в целях запуска космического аппарата с ядерным двигателем в космос уже в 2027 году. Космическое агентство США инвестирует около 300 миллионов долларов в проект по разработке двигательной установки следующего поколения для транспортировки в космосе.

«НАСА хочет отправиться на Марс с помощью этой системы», - сказал Энтони Каломино, инженер НАСА, который руководит программой агентства по космическим ядерным двигательным технологиям. «И это испытание действительно заложит нам эту основу».

Назад в будущее

Традиционные химические двигатели отлично подходят для отрыва ракет от поверхности Земли, но такие машины ужасно неэффективны для передвижения по Солнечной системе. Они не потребляют топливо; они его пожирают. Чтобы долететь до Марса, потребуется огромное количество топлива и жидкого окислителя, и на это потребуется не менее шести месяцев. Чтобы люди действительно стали космическим видом, должен быть лучший способ передвижения.

Вернер фон Браун, немецкий инженер, перебежавший в Соединенные Штаты после Второй мировой войны, признал потенциал ядерных тепловых двигателей еще до того, как его ракета Saturn V высадила людей на Луну с помощью химического двигателя. В конечном итоге это привело к проекту под названием NERVA (ядерный двигатель для применения в ракетных аппаратах). В конечном итоге он был отменен, чтобы помочь профинансировать космический челнок.

Основная идея проста: ядерный реактор быстро нагревает топливо, возможно, жидкий водород, а затем этот газ расширяется и выходит через сопло, создавая реактивную тягу. Но разработка всего этого для космических двигателей является сложной задачей, а кроме того, существуют нормативные трудности строительства ядерного реактора и безопасного запуска его в космос.

И поэтому технология ядерных тепловых двигателей долгое, долгое время лежала на полке. Наконец, в 2020 году любопытные люди из Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов США заявили, что хотят протестировать летающую ядерную тепловую двигательную установку. Это положило начало программе под названием Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations DRACO (Демонстрационная ракета для гибких окололунных операций). Военные также заинтересованы в эффективном перемещении полезных грузов вокруг Земли и Луны — отсюда и включение окололунной ракеты в их планы.

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ
Отчет: единственным реальным путем НАСА для людей на Марсе является ядерный двигатель

Позже к ним присоединилось НАСА с целью разработки аналогичной технологии для миссии на Марс. Причина очевидна: многие ученые и инженеры считают, что единственным устойчивым способом развития программы исследования Марса является использование ядерных двигателей.

Дальнейший план

В среду НАСА и DARPA объявили, что выбрали компанию Lockheed Martin в качестве основного подрядчика по сборке экспериментального транспортного средства с ядерным тепловым реактором (X-NTRV) и его двигателя. Компания BWX Technologies станет одним из партнеров Lockheed Martin и разработает ядерный реактор и изготовит топливо из низкообогащенного урана высокого качества для питания реактора.

Стоимость премии составляет 499 миллионов долларов, сказала Табита Додсон, руководитель программы в DARPA, в ходе телеконференции с журналистами.

НАСА возьмет на себя ведущую роль в разработке ядерного двигателя, а DARPA будет курировать множество других вопросов, от требований ядерного регулирования до операций миссии и всех анализов безопасности транспортного средства. Ядерный реактор будет запущен с Земли в «холодном» режиме по соображениям безопасности и не будет включен до тех пор, пока не достигнет достаточно высокой орбиты.

Эта окончательная орбита еще не определена, но, вероятно, она будет находиться на высоте от 700 до 2000 км над поверхностью Земли, так что возвращение аппарата в атмосферу планеты произойдет через сотни лет после того, как произойдут какие-либо ядерные реакции.

По словам Додсона, аппарат с ядерным двигателем будет запускаться в обтекателе полезной нагрузки ракеты Falcon 9 или Vulcan и будет выглядеть почти так же, как верхняя ступень обычной ракеты. Он будет состоять из большого водородного топливного бака, ядерного реактора, несущей конструкции космического аппарата и сопла. Как только он достигнет безопасной орбиты, реактор будет включен. Затем жидкий водород будет нагреваться от 20 Кельвинов — всего на 20° Цельсия выше абсолютного нуля — до 2700 Кельвинов менее чем за секунду.

А потом? Что ж, посмотрим. Есть некоторые неизвестные в работе реактора и его уранового топлива в условиях невесомости.

«Важно иметь в виду, что это демонстрационный двигатель», - сказал Додсон. «И точно так же, как при любом другом испытании ракетного двигателя, НАСА, возможно, потребуется провести серию последующих работ по разработке двигателя, чтобы приблизиться к своему идеальному действующему двигателю».

Не забывайте о водороде

Этот эксперимент интересен не только испытанием ядерного двигателя. В то время как множество новых технологий будет использовано для разработки ядерного реактора, способного работать в условиях микрогравитации, много усилий также будет затрачено на управление жидким водородным топливом на борту космического аппарата.

До сих пор жидкий водород успешно хранился в космосе всего несколько дней, поскольку его температура кипения превышала чрезвычайно низкое значение в 20 градусов Кельвинов. По словам Додсона, в ходе этой миссии будет предпринята попытка сохранить жидкий водород в ультрахолодном состоянии на пару месяцев, что даст достаточно времени для многократных испытаний ядерного теплового двигателя.

После того, как топливо закончится, двигатель больше не сможет работать, хотя специалисты миссии на земле по-прежнему будут поддерживать связь с космическим аппаратом. Миссия могла бы быть продлена, если бы ее можно было заправлять топливом с помощью специальных роботизированных аппаратов, и Додсон сказал, что разработчики космического аппарат пытаются учесть такую возможность.

Однако, возможно, к тому времени НАСА и DARPA узнают достаточно, чтобы приступить к разработке работающего двигателя, который будет куда-то летать.

ЭРИК БЕРГЕР - старший космический редактор Ars Technica, освещающий все - от астрономии до частного космоса и шаткой политики НАСА, и автор книги "Старт" о расцвете SpaceX. Эрик, дипломированный метеоролог, живет в Хьюстоне.

NASA объявило, что генеральным подрядчиком по проектированию, созданию и испытаниям демонстрационной ракеты X-NTRV выбрана компания Lockheed Martin. Кроме неё в проекте участвует целый ряд компаний, включая BWX Technologies, которая проектирует ядерно-тепловой двигатель и предоставит топливо HALEU. Задачей Lockheed Martin станет собрать всё это в виде демонстрационной ракеты и запустить в космос уже через четыре года.

После испытаний ракеты в космосе аппарат попробуют задействовать в том числе для более быстрой транспортировки астронавтов на Марс. Ракета будет создаваться в сотрудничестве с NASA, в рамках программы DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations), стоимость программы оценивается в $499 млн

Ядерно-тепловой двигатель подразумевает разогрев рабочего тела энергией деления ядер. Чаще всего рассматривается разогрев водорода, который может быть в жидком или газообразном состоянии. Такие двигатели обещают оказаться от двух до пяти раз лучше по тяге, чем современные химические, и они в десятки тысяч раз мощнее, чем электрические двигатели на ионной тяге. Например, с помощью ракеты на ядерном двигателе NASA рассчитывает в два раза сократить доставку астронавтов на Марс, что сохранит им здоровье во время полёта в пустоте с сильнейшей радиацией.

Подписывайтесь, чтобы оставаться в курсе актуальных и горячих новостей о космонавтике и SpaceX!

Источник: https://3dnews.ru/1090618/raketu-s-atomnim-dvigatelem-dlya-p...