Ключът към съкращаване наполовина на времето за пътуване до Марс на фона на големи инженерни предизвикателства

Последният напредък в технологията за ядрено топлинно задвижване (NTP) може да направи бъдещите човешки мисии до Марс много по-бързи, потенциално съкращавайки времето за пътуване наполовина в сравнение с традиционните химически ракети.

и двамата НАСА и Агенция за напреднали изследователски проекти на отбраната (DARPA) Те работят заедно за разработването на тази технология, която също може да осигури по-добра маневреност за космически мисии. Въпреки това, дизайнът на реакторите, които биха захранвали тази енергия Ядрени ракети Това представлява големи предизвикателства, за чието преодоляване инженерите все още работят.

Потенциалът на термоядреното задвижване за космически пътувания

Химическите ракети, настоящият стандарт за космически мисии, разчитат на изгаряне Химическо гориво Като водород и кислород за генериране на тягата, необходима за задвижване на космически кораби. Въпреки че тази система е надеждна, тя е бавна и изисква големи количества кислород, което добавя значително тегло към космическия кораб. За мисия до Марс това може да означава време за пътуване от няколко месеца до повече от година.

за разлика от това, Ядрено термично задвижване Той използва огромната енергия, която произвежда Ядрено делене За загряване на пропелант, като водород, който след това се изхвърля при високи скорости, за да генерира тяга. Този метод е много по-ефективен от химическото задвижване, с потенциал да спести до Слаба специфична мотивация– Мярка за това колко ефективно една ракета използва своето гориво. като Дан Котлярдоцент по ядрена техника в Технологичен институт на Джорджия„Ядреното задвижване ще изхвърли пропеланта от дюзата на двигателя много бързо, генерирайки висока тяга“, обяснява той, позволявайки на космическия кораб да достигне местоназначението си по-бързо.

Тази повишена ефективност е от решаващо значение при планирането на мисии до Марс, тъй като дългите транзитни времена могат да изложат астронавтите на дълги периоди на радиация и безтегловност, като и двете имат неблагоприятни последици за здравето. с Ядрени ракетиМоже да е възможно да се намали пътуването до Марс от няколко месеца до само няколко месеца, което значително намалява времето, през което астронавтите са изложени на рисковете от космическото пътуване.

Проектиране на ядрени реактори за космически ракети

Въпреки потенциалните ползи, сградата Ядрени реактори Това, което може да работи надеждно в космоса и да осигури задвижването, необходимо за дългосрочни мисии, остава основно инженерно предизвикателство. За разлика от химическите ракети, ядрените реактори за задвижване трябва да работят при изключително високи температури, а използваното гориво:Уран 235– Трябва да се работи изключително внимателно поради радиоактивните му свойства.

В системите за ядрено топлинно задвижване, A Реакция на делене Той загрява пропеланта, преди да го изхвърли, за да произведе тяга. По време на делене неутроните се изстрелват към атомите на уран-235, които се разделят и освобождават огромно количество топлинна енергия. Този процес, добре разбран в атомните електроцентрали на Земята, трябва да се адаптира към суровите условия на космоса. Реакторите, използвани в тези системи за задвижване, трябва да бъдат ВграденаЛек и годен за бягане По-високи температури От наземни реактори. Както отбелязва Котлиър, „системите за ядрено топлинно задвижване имат плътност на мощността около 10 пъти по-голяма от конвенционален реактор с лека вода“, което подчертава уникалните предизвикателства, пред които са изправени космическите приложения.

Една от трудностите е използването Високообогатен ниско обогатен уран (HALEU)Което съдържа по-малко количество уран 235 Високо обогатен уран Използва се в предишни проекти на реактори. Докато е по-безопасен от a Ядрено разпространение От друга гледна точка, горивото Hallyu е по-малко ефективно, което означава, че повече от него трябва да се зареди на космическия кораб. Това увеличава общото тегло на системата, проблем, който инженерите се опитват да разрешат чрез разработка Специални материали Което може да използва горивото по-ефективно.

Историята и бъдещето на ядреното космическо задвижване

Ядреното задвижване не е нова концепция. Между 1955 и 1973 г. програми в НАСА, Дженерал Електрики Национални лаборатории в Аргон Той успешно е разработил и тествал около 20 ядрени топлинни задвижващи двигателя и ги е тествал на Земята. Тези проекти обаче разчитат на високо обогатено ураново гориво, което създава рискове от разпространение. Усилия, които се полагат днес, като тези на НАСА и DARPA Драко Програмата (Agile Lunar Operations Experimental Rocket) има за цел да разработи по-безопасни и по-ефективни системи за задвижване, използващи гориво Halyu.

на Програма Драко Компанията планира да тества прототип на ядрена топлинна ракета в космоса още през 2027 г., отбелязвайки крайъгълен камък в развитието на тази технология. Авиокомпании като Локхийд Мартин и PWX Technologies Те си сътрудничат за проектирането на реакторите и горивните системи, които ще захранват ракети от следващо поколение.

Справяне с инженерните предизвикателства

Преди да можем да изстреляме ракета с ядрен двигател, трябва да бъдат преодолени много технически препятствия. Дан Котляр И неговата изследователска група в Georgia Tech Те работят върху Моделиране и симулация необходими за подобряване на тези системи. Моделите са от съществено значение за прогнозиране на това как един двигател ще работи при различни условия, като стартиране, изключване и драматичните промени в температурата и налягането, които се случват по време на работа.

Екипът на Котляр също се развива Нови изчислителни средства Което изисква по-малко изчислителна мощност за моделиране на тези сложни системи. Целта е в крайна сметка да се създаде Самоконтрол Ядрени ракетни системи, които ще бъдат необходими за дългосрочни мисии, при които човешка намеса може да не е възможна. Както обясни Кътлер: „Моите колеги и аз се надяваме, че това изследване един ден ще помогне за разработването на модели, които могат да управляват автономно ракетата.“

В заключение, докато Ядрено термично задвижване Тази технология е многообещаваща за бъдещи мисии до Марс и извън нея, а все още остават сериозни предизвикателства при проектирането на безопасни, надеждни и ефективни ядрени реактори за пътуване в космоса. С текущи изследвания и тестове, планирани през следващите години, НАСА и нейните партньори се движат стабилно към бъдеще, което ядрените ракети могат да позволят. По-бързо и по-ефективно изследване на слънчевата система.