Марсианские транспортные корабли с двигательной установкой на основе ядерного электроракетного двигателя [верхний рисунок] и на основе ядерного ракетного двигателя [нижний рисунок] в представлении художников НАСА (кликните картинку для увеличения)

14.10.2010 (7:21)
Просмотров: 9557
Рейтинг: 1.67
Голосов: 15

Теги:
НАСА, космическая программа,

Естественные науки >> Астрономия

Новейшие концепции ядерных и солнечных космических энергетических установок могут получить долгожданные возможности развития как часть дорожной карты развития исследований НАСА.

Сторонники обеих технологий считают, что традиционные ракеты с двигателями на химическом топливе достигли предела своих технических характеристик и, что требование уменьшения времени [межпланетных] перелетов должно стимулировать применение более совершенных систем. Хотя ни концепция ядерного двигателя, ни солнечного электроракетного двигателя [СЭРД] не является новшеством, недавние события означают, что варианты обоих типов могут получить реальные шансы на реализацию в самых значимых пионерских проектах, таких как пилотируемая миссия на Марс, или при создании транспортной космической системы.

Ядерные концепции сосредоточены на двух основных методах на основе ядерного распада: ядерный электроракетный двигатель [ЯЭРД] и собственно ядерные ракетные двигатели [ЯРД]. Оба подхода применимы для миссий глубокого космоса благодаря высокому значению создаваемой тяги на единицу массы расходуемого топлива [удельная тяга и удельный импульс]. Для исследования внешней части Солнечной системы, где плотность потока излучения со звезды меньше, решения на основе ядерной энергетики способны обеспечить большую мощность, чем системы с СЭРД.

VASIMR в составе солнечного электроракетного двигателя в концепте лунного транспортного корабля

Ядерный электроракетный двигатель преобразует тепло с реактора в электроэнергию, которая питает ионный или плазменный двигатель. В отличие от него, в ЯРД тепло от реактора служит для нагрева рабочего тела, которое, расширяясь, выбрасывается через сопло, создавая тягу. Вариант ЯЭРД предполагает более высокое значение удельного импульса и малое значение тяги, а значит, должен работать в течение нескольких месяцев или лет. ЯРД обладают относительно низким удельным импульсом, но дают много большую тягу.

Обе концепции [ЯЭРД и ЯРД] являются частью исследования НАСА по разработке и демонстрации высокоэффективных технологий [ETDD, Enabling Technology Development and Demonstration], которое определяет технологии, способные поменять правила игры, для проведения возможных наземных и летных испытаний. Исследование уже определило электроракетные двигательные установки [ЭРДУ] высокой мощности и ядерные двигательные установки [ЯДУ] в кандидаты для [осуществления] первоначальных демонстраций. Кроме того, [концепция] ЯРД определена как одна из десяти «основополагающих технологических областей», которые требуют разработки для использования в демонстрационных проектах будущего.

Хотя ядерные ракетные двигатели постоянно получали высокие оценки в исследованиях концепций, в том числе в [исследовании] НАСА по проектированию эталонной архитектуры 5.0 [DRA 5.0, Design Reference Architecture 5.0] 2009 года в разделе транспортной космической системы [для полетов] к Марсу, эти планы никогда не получали значительного развития. Теперь включение соответствующих технологий в исследование ETDD и возрождение промышленного интереса со стороны производителей ракет, например, компании Pratt & Whitney Rocketdyne получило одобрение сторонников ядерной [концепции], таких как Стэнли Боровски [Stanley Borowski, НАСА Исследовательский центр имени Гленна]. «Это изменит правила игры, поэтому мы должны уделить этому серьезное внимание», - пояснил Боровски.

«Ядерные технологии прошли наземные испытания 40 лет назад. То решение для миссии на Марс было лучше, чем самые лучшие химические ракеты сегодня». По заявлению Боровски, проведенный в исследовании DRA 5.0 анализ показал, что в сравнении с традиционными двигателями на химическом топливе [жидком кислороде и водороде] для миссии на Марс [двигательная установка] с ядерным реактором с высокой плотностью энерговыделения экономит более 400 тонн стартовой массы. Кроме того, это приводит к 100% увеличению удельного импульса [с 450 с до 900 с].

Исследование, рассмотревшее варианты миссии на Марс с использованием ЯРД и сборкой межпланетного корабля в 7-мь пусков, показало необходимость ракеты-носителя тяжелого класса, способной доставлять 140 тонн полезного груза на низкую земную орбиту. Несмотря на то, что Сенат недавно утвердил $2,75 миллиарда [как сообщает Aviation week] в рамках соответствующего санкционирующего законопроекта по НАСА именно на создание ракеты-носителя тяжелого класса, способного выводить до 100 тонн на низкую земную орбиту, по-видимому, по мере реализации проекта последует увеличение грузоподъемности. Сюда можно отнести высказывание бывшего главы НАСА Майкла Гриффина [Mike Griffin], заявившего, что законопроект принятый Сенатом должен покрывать эксплуатационную возможность по крайней мере до 130 тонн. Кроме того, он добавил, что «если мы хотим создать технические средства для пилотируемых путешествий на Марс в этом веке, то 150 тонн было бы на много порядков лучше».

С точки зрения миссии и эксплуатации [в сравнении с химическими системами] вариант с использованием ЯРД для полета к Марсу имеет «значительно меньше элементов и много проще в эксплуатации», - заявил Боровски. Кроме того, архитектура [возможного ЯРД] использует множество элементов, разрабатываемых ранее для традиционной ракеты-носителя тяжелого класса. «Не требуется гигантских скачков в технологиях, чтобы добраться туда, куда мы хотим попасть», - добавляет он. В частности, исследование указывает на общие точки в плане [создания] ЯРД и уже существующие технологии для находящихся в эксплуатации криогенных двигателей [на жидком кислороде и водороде], например, RL10B-2, регенеративно и радиационно-охлаждаемые сопла, юбка, радиоэлектронная аппарата и управление вектором тяги. План также использует проект большого алюминий-литиевого топливного бака для жидкого водорода, первоначально планировавшегося для центрального блока РН Ares V, который, по словам Боровски, будто «сделан на заказ под ЯРД марсианского транспортного корабля [MTV, Mars transfer vehicles]. Два центральных бака Ares V, урезанные приблизительно вдвое из четырех куполов, дают топливный бак, необходимый для двух грузовых кораблей к Марсу и [одного] пилотируемого MTV».

Корабль с ЯРД также уменьшит время перелета [к Марсу] до 170 – 210 дней и может быть основан на технологиях, полученных в 1950 – 70-е годы по совместной программе Комиссии по атомной энергии США и НАСА - Rover/Nerva [nuclear engine rocket vehicle applications]. НАСА измеряет степень готовности разрабатываемых технологий по шкале от 1 до 10. Программа Rover/Nerva продемонстрировала предполномасштабный 6-ой уровень развития технологии, в том числе наземные испытания 22 – х реакторов ЯРД, покрыв диапазон тяги от 11300 кг до 113000 кг. Самый маленький двигатель Nerva [Pewee] продемонстрировал использование высокотемпературного ядерного топлива, обеспечивающего температуру выхлопной струи водорода до 2550 K, по заявлению Боровски, этот двигатель может послужить основой для будущих разработок. Миссия на Марс может использовать общий [серийный для грузовых и пилотируемых кораблей] модуль с двигательной установкой, оснащенный тремя ЯРД с матрицей из графитового композита.

В вопросе исследования [космического пространства] также уделяется внимание промежуточным миссиям к околоземным объектам, проведенный анализ включает варианты годовых путешествий к конкретным астероидам. «Так как эксплуатационный срок службы ЯРД при полной тяге и температуре составил около 6 часов, то становятся возможными многоцелевые миссии к различным объектам [околоземные объекты, Луна, Марс]», - указывается в исследовании.

Еще одним свидетельством того, что к ЯРД начали относиться более серьезно является недавнее решение НАСА расширить работу Команды [разработки] концепции пилотируемых исследований [HEFT, Human Exploration Framework Team], добавив вариант ядерного двигателя. HEFT потратила четыре месяца, рассматривая технические средства, которые могут быть необходимы для пилотируемой миссии на астероид к 2025 году, и выпустила предварительный отчет в сентябре 2010 года. Тем не менее, Боровски заявил, что первая фаза исследования HEFT была сфокусирована на миссиях к околоземным объектам и не касалась нужд последующей марсианской миссии в строгом соответствии с целями национальной политики в области космоса НАСА. Так как требования к полезной нагрузке этих двух миссий значительно различаются, Боровски обеспокоен тем, что архитектура может оказаться урезанной меньшей полезной нагрузкой системы на базе СЭРД. «Мы должны убедиться в том, что проведено надлежащее поэлементное сопоставление, в данный момент этого не сделано».

Технология солнечных электроракетных двигателей [СЭРД] развивается по устойчивой траектории, форсируемая такими разработками, как солнечные батареи компании Боинг, представленные по программе Агентства передовых оборонных исследовательских проектов [Darpa, Defense Advanced Research Projects Agency] - Быстрый доступ к испытаниям в космосе [FAST, Fast Access Space Testbed]. Цель усилий – доказать жизнеспособность высокомощной, легкой СЭРД системы, которая могла бы быть использована на космических кораблях оперативного реагирования и коммерческих аппаратах, а также на космических кораблях самостоятельного развертывания, что будут курсировать между низкой земной и геостационарной орбитами, используя энергию от солнечных батарей. В компании Боинг верят, что эта система обеспечит достаточно мощности для таких космических сообщений, как миссия к Марсу.

Производство [энергии] на единицу объема выросло в шесть раз по сравнению с существующими энергетическими системами. Батарея состоит из подобной жалюзи рамы [крыльев] с установленными в нее фотоэлементами, которые могут быть свернуты в относительно небольшой объем для запуска под обтекателем. На проведенных компанией Боинг в Эль-Сегундо [El Segundo, Калифорния] наземных испытаниях крылья [солнечных батарей] при полном развертывании простерлись более чем на 23 метра в обе стороны. Каждое крыло шириной 2,25 метра может генерировать до 30 киловатт электроэнергии.

Модульная концепция означает, что крылья могут быть увеличены, несколько образуют одно. Решение компании Боинг включает конфигурацию с шестью крыльями в каскаде, способную производить до 180 киловатт электроэнергии, и в два раза большую [по размерам] версию, производительностью в 720 киловатт. По заявлению компании Боинг, со временем система сможет производить до 1 мегаватта электроэнергии. Демонстрационная работоспособность может состояться в течение трех лет.

«Солнечные электроракетные двигатели всегда используют лучшие технологии солнечных батарей с самым высоким [из доступного на текущий момент] уровнем мощности. Солнечные батареи Boeing/Darpa FAST предвещают существенный прогресс в этом направлении», – говорит Джон Брофи [John Brophy, Лаборатория реактивного движения, НАСА]. «Любое технологическое развитие, что влечет значительное улучшение технологии солнечных батарей и уменьшает риски демонстрационного полета, будет иметь большое влияние на СЭРД».

Отвечающий за ионную силовую установку миссии Dawn Брофи заявляет, что «СЭРД укоренится в роботизированных миссиях глубокого космоса, так как обеспечивает существенные выгоды в миссиях определенного типа».

Опыт, полученный в нескольких научных миссиях, и растущее использование СЭРД на современных спутниках подкрепляют мнение Брофи, что солнечные двигательные установки развиваются. «СЭРД на ксеноне в настоящее время штатно используются на десятках коммерческих спутниках связи. Тот факт, что все три миссии глубокого космоса (Deep Space 1, Smart-1 и Hayabusa), использовавшие ионные ракетные двигатели на ксеноне, прошли успешно, наряду с фактом того, что продолжающаяся миссия Dawn уже имеет с момента запуска в 2007 году более 17000 часов работы ионной двигательной установки, способствует пониманию того, что СЭРД в настоящее время является одним из основных доступных вариантов для разработчиков миссий».

Брофи указывает на новый увеличенный рабочий ресурс, который помогает преодолеть ограничения свойственные первым ионным двигателям. «С точки зрения развития технологий и Холловские двигатели, и [сеточные] ионные двигатели уже продемонстрировали срок службы [в единицах испущенного топлива], значительно превышающий 235 килограмм, что показала в конце 1990-х технология, использовавшаяся в миссиях Deep Space 1 и Dawn. Это приводит к более простым, более легким и потенциально менее дорогим двигательным установкам, что делает их более привлекательными для разработчиков миссий», - отметил Брофи.

Наземные испытания по программе Rover/Nerva

	Читать @SciLibCom Твитнуть Нравится

Николай Никитин

Также по теме:

Источники:

По материалам Aviation week