Новая ракета с ядерным двигателем сможет долететь до Марса всего за 45 дней

НАСА и советская космическая программа потратили десятилетия на исследования ядерных двигателей во время космической гонки. Несколько лет назад НАСА возобновило свою ядерную программу с целью разработки бимодальной ядерной силовой установки — системы, состоящей из двух частей, состоящей из элементов NTP и NEP, — которая могла бы обеспечить переходы к Марсу за 100 дней.

В рамках программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) на 2023 год НАСА выбрало ядерную концепцию для первого этапа разработки. Этот новый класс бимодальной ядерной двигательной установки использует «цикл подъема волнового ротора» и может сократить время полета до Марса всего до 45 дней.

Предложение, озаглавленное «Бимодальный NTP/NEP с циклом топпинга волнового ротора», было выдвинуто профессором Райаном Госсе, руководителем программы по гиперзвуку в Университете Флориды и членом группы Флоридских прикладных исследований в области инженерии (FLARE). Предложение Госсе является одним из 14, выбранных NAIC в этом году для разработки Фазы I, которая включает грант в размере $12 500 на совершенствование используемых технологий и методов. Другие предложения также содержали инновационные датчики, инструменты, технологии производства, системы питания и многое другое.

Ядерный двигатель по существу сводится к двум концепциям, каждая из которых опирается на технологии, которые были тщательно протестированы и проверены.

Для ядерно-тепловой двигательной установки (NTP) цикл состоит из ядерного реактора, нагревающего жидкое водородное топливо (LH2), превращая его в ионизированный газообразный водород (плазму), который затем направляется через сопла для создания тяги. Было предпринято несколько попыток испытать эту силовую установку, в том числе Project Rover, совместный проект ВВС США и Комиссии по атомной энергии (AEC), запущенный в 1955 году.

В 1959 году НАСА сменило ВВС США, и программа вступила в новую фазу, посвященную космическим полетам. В конечном итоге это привело к созданию ядерного двигателя для ракетных транспортных средств (NERVA), твердотопливного ядерного реактора, который прошел успешные испытания.

С закрытием эры «Аполлонов» в 1973 году финансирование программы резко сократилось, что привело к ее отмене до того, как можно было провести какие-либо летные испытания. Между тем, в период с 1965 по 1980 год Советы разработали свою собственную концепцию NTP (РД-0410) и провели одно наземное испытание перед отменой программы.

Второй вариант — ядерно-электрическая двигательная установка (NEP), которая полагается на ядерный реактор, обеспечивающий электроэнергией двигатель на эффекте Холла (т.н. ионный двигатель). Он генерирует электромагнитное поле, которое ионизирует и ускоряет инертный газ (например, ксенон) для создания толчкового импульса. Попытки разработать эту технологию включают проект «Прометей» Инициативы ядерных систем НАСА (NSI) (с 2003 по 2005 год).

Обе системы имеют значительные преимущества по сравнению с обычным химическим двигателем, в том числе более высокий показатель удельного импульса (Isp), топливную экономичность и практически неограниченную плотность энергии. В то время как концепции NEP отличаются тем, что обеспечивают более 10 000 секунд Isp, что означает, что они могут поддерживать тягу в течение почти трех часов, уровень тяги довольно низкий по сравнению с обычными ракетами и NTP.

Потребность в источнике электроэнергии, говорит Госсе, также поднимает вопрос отвода тепла в космосе, где преобразование тепловой энергии в идеальных условиях составляет 30-40%. И хотя конструкции NTP NERVA являются предпочтительным методом для миссий с экипажем на Марс и далее, этот метод не лишен недостатков.

Вот почему предпочтение отдается предложениям, включающим оба метода движения (бимодальный), поскольку они сочетают в себе преимущества обоих. Предложение Госсе предусматривает бимодальную конструкцию на основе реактора NERVA с твердой активной зоной, которая будет обеспечивать удельный импульс (Isp) в 900 секунд, что в два раза превышает нынешние характеристики химических ракет.

Предложенный Госсе цикл также включает в себя нагнетатель волны давления — или волновой ротор (WR) — технологию, применяемую в двигателях внутреннего сгорания, которая использует волны давления, возникающие в результате реакции на сжатие всасываемого воздуха.

В сочетании с двигателем NTP, WR будет использовать давление, создаваемое нагревом топлива LH2 в реакторе, для дальнейшего сжатия реакционной массы. Как обещает Госсе, это обеспечит уровни тяги, сравнимые с концепцией NTP класса NERVA, но с Isp 1400-2000 секунд. По словам Госсе, в сочетании с циклом NEP уровни тяги повышаются еще больше.

Основываясь на обычной двигательной технологии, пилотируемая миссия на Марс может длиться до трех лет. Эти миссии будут запускаться каждые 26 месяцев, когда Земля и Марс находятся на максимальном сближении (т. е. противостояние Марса), и астронавты будут проводить в пути минимум от шести до девяти месяцев.

Транзит продолжительностью 45 дней (шесть с половиной недель) сократит общее время миссии до месяцев, а не лет. Это значительно снизит основные риски, связанные с полетами на Марс, включая радиационное облучение, время, проведенное в условиях микрогравитации, и связанные с этим проблемы со здоровьем.

В дополнение к силовой установке есть предложения по новым конструкциям реакторов, которые обеспечат стабильное энергоснабжение для длительных наземных миссий, где солнечная и ветровая энергия не всегда доступны. Если эту программу удастся реализовать, то космические экспедиции станут намного проще — раньше о таком можно было только мечтать.