Химические ракеты возглавляют список самых быстрых объектов, когда-либо созданных. Но если мы хотим открыть Солнечную систему для исследования человеком, их скорости недостаточно.

Войдите в ядерную тепловую двигательную установку

Ядерная тепловая тяга

Сегодня путешествие на Марс в один конец занимает минимум шесть месяцев. Для астронавта это долгий срок пребывания в космическом корабле размером с однокомнатную квартиру. Это также создает серьезные оперативные проблемы для миссии. Чем дольше астронавт находится в пути, тем больше он подвергается воздействию высоких доз опасного космического излучения и тем больше припасов ему нужно взять с собой для выполнения миссии.

За последние полвека инженеры выжали все до последней капли КПД из обычных химических ракетных двигателей. Если мы действительно хотим совершать регулярные полеты на Марс, нам потребуется резкое изменение эффективности ракетных двигателей.

Химические ракеты возглавляют список самых быстрых когда-либо созданных объектов, но они все еще недостаточно быстры

Если мы хотим открыть Солнечную систему для исследования человеком, их скорости недостаточно.

Как добраться до Марса?

Путешествие человека на Марс требует значительно более быстрого транспорта. Ядерная тепловая двигательная установка позволяет космическим кораблям двигаться быстрее, сокращая время, в течение которого люди подвергаются воздействию радиации.

Более быстрый космический корабль

Как это работает

Ядерный реактор быстро нагревает топливо, такое как жидкий водород, который расширяется через сопло ракеты и обеспечивает значительную тягу.

жидкий водород

Раннее происхождение

Идея ядерной тепловой тяги почти так же стара, как и сама космическая эра. идея, однажды опередившая свое время.

НАСА

NTP: новый тип двигателя

В обычном жидкостном ракетном двигателе окислитель и топливо смешиваются в камере сгорания и воспламеняются. Это заставляет газы быстро расширяться, что резко увеличивает давление в камере сгорания и выталкивает выхлоп через сопло ракетного двигателя на высоких скоростях.

Ядерная тепловая двигательная установка также работает за счет выброса горячих газов из двигателя под высоким давлением. Ключевое отличие заключается в том, как эти газы доводятся до температуры. Вместо сгорания реакторная система NTP прокачивает жидкое топливо — обычно водород — через активную зону высокотемпературного ядерного реактора. Когда газ проходит через активную зону реактора, он нагревается до невероятно высоких температур (> 2500 ° C), что заставляет его быстро расширяться через сопло и создавать тягу.

Одним из основных преимуществ ядерных тепловых двигателей является их эффективность. Ядерная тепловая ракета может более чем в два раза повысить эффективность по сравнению с обычной химической ракетой, потому что ее топливо нагревается до гораздо более высокой температуры, чем в обычной камере сгорания. Это означает, что ядерная тепловая ракета может сократить время полета до Марса (и обратно домой) вдвое.

«Вы ничего не сжигаете, поэтому вам не нужно носить с собой кислород, который очень тяжел», — говорит Майк Кинард, бывший руководитель проекта NASA Space Nuclear Propulsion Project. «Но вам все еще нужно нести много водорода на Марс, чтобы вы могли вернуться, а для этого требуется чрезвычайно эффективная система. NTP создан специально для этого».

«Вы ничего не сжигаете, поэтому вам не нужно носить с собой кислород, который очень тяжелый»

— Майк Кинард (бывший руководитель проекта НАСА по космическим ядерным двигателям)

Ядерная мечта НАСА

Идея ядерной тепловой тяги почти так же стара, как и сама космическая эра. В начале 1960-х НАСА объединило усилия с Комиссией по атомной энергии для изучения конструкции двигателя NTP. Новаторская программа NERVA завершилась серией наземных испытаний прототипа ядерного двигателя и вдохновила Вернера фон Брауна, директора Центра космических полетов НАСА имени Маршалла и отца современной ракетной техники, предложить отправить астронавтов на Марс на ядерной тепловой ракете с помощью 1980-е годы. Пыль после «гигантского прыжка» Нила и Базза едва осела, но фон Браун уже осознал огромный потенциал ядерных тепловых двигателей.

Несмотря на ранний энтузиазм НАСА по поводу ядерных тепловых двигателей, их двигатель NERVA так и не попал в космос. Программа столкнулась с техническими трудностями, особенно когда речь шла о поиске материалов, способных выдерживать интенсивные температуры реактора, которые являются ключевыми для эффективности ядерной ракеты. Материаловедение просто не было готово справиться с жарой — до сих пор.

В гневе

Теперь, когда НАСА снова обратило свои взоры на Марс, ядерные тепловые двигатели готовы к возрождению. В течение многих лет инженеры НАСА изучали фундаментальную физику и материаловедение критических компонентов ядерного теплового двигателя.Программа получила мощную поддержку Конгресса, который выделил более 100 миллионов долларов на программу ядерных тепловых двигателей НАСА в своем бюджете на каждый из последних четырех лет.

Цель НАСА — запустить первую летную демонстрационную миссию ядерного теплового двигателя к середине 2020-х годов. Но они не могут сделать это в одиночку, поэтому агентство использовало энергию X, чтобы помочь разработать концепции реактора и топлива для космического ядерного теплового двигателя.

НТП @ ХЕ

Летом 2020 года X-energy представила свои концепции ядерного теплового двигательного реактора, способного развивать удельный импульс в 900 секунд. Удельный импульс является мерой того, насколько эффективно ракетный двигатель использует свое топливо. Это похоже на расход бензина для автомобиля: более высокий удельный импульс означает, что вы можете ехать быстрее и дальше на заданном количестве топлива. Проект X-energy для ядерной тепловой двигательной установки будет способен более чем в два раза увеличить удельный импульс двигателей Saturn V, доставивших астронавтов на Луну, которые остаются самыми мощными и эффективными ракетными двигателями, когда-либо летавшими в космос.

Большой вопрос для НАСА заключается в том, какой тип ядерного топлива использовать в этих планетарных исследовательских реакторах. Обеспокоенность по поводу риска распространения ослабила энтузиазм по поводу использования высокообогащенного урана, но низкообогащенный уран, используемый в существующих наземных ядерных реакторах, не обладает достаточной плотностью энергии для удовлетворения потребностей высокотемпературной двигательной реакторной системы. Высокопробное низкообогащенное урановое топливо (HALEU), которое занимает промежуточное положение между низко- и высокообогащенным ураном (обогащение до 20%), является сильным претендентом на ядерные тепловые ракеты.

«Я думаю, что самым большим прорывом в последнее время является тот факт, что мы нашли способы использования [высокопробного] низкообогащенного урана, чтобы получить такие характеристики, которые нам нужны для ядерных тепловых двигателей», — говорит Кинард.

X-energy — одна из немногих компаний в США, способных производить формы топлива с керамическим покрытием с использованием HALEU, который лежит в основе нашего топлива TRISO. Каждый топливный сердечник TRISO состоит из 0,5-микронной таблетки оксикарбида урана (размером с маковое зернышко), обернутой тремя чередующимися слоями графита и карбида кремния. Тысячи этих частиц заключены в форму графитового топлива: либо галька, либо призматические компакты. В наземном реакторе X-energy, Xe-100, более 60 000 таких камешков (размером примерно с биток) будут проходить через активную зону реактора в течение года.

«Мы спросили: «Почему все по-прежнему делается именно так?», и во многих ситуациях ответ был: «Мы всегда так делали».

Поэтому мы приступили к решению проблемы, чтобы понять, что на самом деле происходит на фундаментальном уровне, чтобы мы могли внедрять новые материалы и технологии производства».

— Доктор Дэниел Браун (инженер-технолог по топливу в X-energy)

«Топливо TRISO было впервые создано в 1960-х годах, и многие процессы, используемые для изготовления этого топлива, до сих пор используют технологии 1960-х годов», — говорит д-р Дэниел Браун, инженер-технолог по топливу в X-energy. «Мы спрашивали: «Почему все по-прежнему делается именно так?», и во многих ситуациях ответ был: «Мы всегда так поступали». уровне, чтобы мы могли внедрять новые материалы и технологии производства».

Вернувшись к основам, мы смогли определить ключевые области, в которых производство TRISO можно улучшить. После многих лет исследований и разработок компания X-energy создала запатентованные процессы производства топлива из твердых частиц с керамическим покрытием, которые значительно улучшили качество, стабильность и безопасность топлива TRISO, а также обеспечили надежные поставки в промышленных масштабах.

Мы называем наше творение ТРИЗО-Х.

Температура критична

Самое главное в топливе X-energy TRISO-X — это то, что его можно безопасно использовать при экстремально высоких температурах.Слои графита и карбида кремния вокруг зерен урана действуют как автономный экран, удерживающий продукты деления урана. Это означает, что уран можно довести до температуры намного выше 3000 градусов по Фаренгейту — более чем в 7 раз выше рабочей температуры обычного ядерного реактора — без риска расплавления. Это критическая особенность ядерной тепловой ракеты, которая должна работать при гораздо более высоких температурах, чтобы достичь повышения эффективности по сравнению с двигателями на химическом топливе.

«Быть ​​«защищенным от плавления» топливом недостаточно… ядерной тепловой ракете нужна такая же прочная активная зона».

— Доктор Ганс Гугар (Менеджер X-energy по разработке продуктов для разработки микрореакторов)

Но быть «защищенным от плавления» топливом недостаточно, говорит доктор Ханс Гугар, менеджер X-energy по разработке продуктов для разработки микрореакторов. Ядерная тепловая ракета нуждается в таком же прочном сердечнике. Предложенная X-energy конструкция высокотемпературного газоохлаждаемого реактора восходит к программе НАСА NERVA. Как и в двигателе NERVA, конструкция X-energy пропускает горячий водород через графитовый сердечник для создания тяги. Ключевое отличие состоит в том, что в нашей топливной матрице TRISO-X используются передовые материалы, которые не разрушаются при работе двигателя при экстремальных температурах. Наши усовершенствованные замедлители повышают эффективность реакции деления, позволяя использовать топливо HALEU, сохраняя при этом достаточно легкий вес реактора для полета.

Эффективность нашей ядерной тепловой двигательной установки является ключевым отличием нашей конструкции. Для любого космического приложения вес всегда является ключевым фактором, а это означает наличие минимального количества топлива, возможного для безопасного завершения миссии. В X-energy мы занимаемся производством небольших ядерных реакторов, но даже наши наземные блоки слишком велики для ракеты. Наш реактор Xe-100 слишком тяжел на несколько сотен тонн, чтобы его можно было запустить в космос.Будущее ядерных тепловых двигателей зависит от нашей способности производить примерно такую ​​же выходную мощность, как и типичный коммерческий усовершенствованный реактор, но работать при гораздо более высокой температуре, уменьшая его размер на порядки.

После нескольких месяцев работы над концептуальным проектированием для НАСА мы уверены, что наши инновации и опыт работы с небольшими высокотемпературными газовыми реакторами и неплавящимся топливом TRISO-X позволят в ближайшем будущем осуществлять межпланетные миссии с экипажем. Мы уже начинаем проводить эксперименты по усовершенствованному производству топлива NTP на нашем пилотном производственном объекте TRISO-X в Национальной лаборатории Ок-Ридж, поэтому мы готовы масштабировать производство топлива, чтобы уложиться в сроки исследований НАСА. Мы также извлекаем выгоду из опыта исследования космоса наших дочерних компаний, Intuitive Machines и Axiom Space, которые разрабатывают первый в мире частный лунный посадочный модуль и коммерческую космическую станцию ​​соответственно.

«Тесное сотрудничество с нашей топливной командой TRISO-X и нашими дочерними компаниями, которые планируют и выполняют космические миссии в течение многих лет, значительно ускорило наш междисциплинарный процесс проектирования и улучшило наши решения», — говорит д-р Брэд Реарден, директор по проектированию и Архитектор решений X-energy для космических реакторов. «Мы используем уроки, извлеченные из других инициатив по микрореакторам, и полагаемся на наш специальный передовой вычислительный инструментарий для создания действительно инновационного решения, которое можно будет изготовить, испытать и запустить к середине 2020-х годов, что соответствует графику НАСА».

Ядерная тепловая ракета когда-то была идеей, опередившей свое время.