Живеем в ера на подновено изследване на Космоса, в която множество агенции планират да изпратят астронавти на Луната през следващите години. Това ще бъде последвано през следващото десетилетие с екипажни мисии до Марс от NASA и Китай, към които скоро може да се присъединят и други нации. Тези и други мисии, които ще отведат астронавтите отвъд ниската околоземна орбита (LEO) и системата Земя-Луна, изискват нови технологии, вариращи от поддържане на живота и защита от радиация до мощност и задвижване.

И когато става въпрос за последното, ядрено-топлинно и ядрено-електрическо задвижване (NTP/NEP) е най-добрият претендент да свърши работа. NASA и Съветската космическа програма прекараха десетилетия в изследване на ядреното задвижване по време на космическата надпревара.

Преди няколко години NASA поднови ядрената си програма с цел разработване на бимодално ядрено задвижване – система от две части, състояща се от NTP и NEP елемент, – която може да позволи транзити до Марс за 100 дни. Като част от програмата на NASA за иновативни усъвършенствани концепции (NIAC) за 2023 г. агенцията избра ядрена концепция за фаза I на развитие. Този нов клас бимодална ядрена система за задвижване използва „цикъл на запълване на вълнов ротор“ и може да намали времето за преход до Марс до само 45 дни.

Предложението, озаглавено Bimodal NTP/NEP with a Wave Rotor Topping Cycle, беше представено от проф. Раян Госи, ръководител на програмната област Hypersonics в Университета на Флорида и член на екипа на Florida Applied Research in Engineering (FLARE).

Предложението на Госи е едно от 14-те, избрани от NAIC тази година за фаза I на разработка, която включва безвъзмездна помощ от 12 500 долара за подпомагане на съзряването на технологията и включените методи. Други предложения включват иновативни сензори, инструменти, производствени техники, енергийни системи и др.

Ядреното задвижване по същество се свежда до две концепции, като и двете разчитат на технологии, които са щателно тествани и валидирани.

За ядрено-термично задвижване (NTP) цикълът се състои от ядрен реактор, който нагрява течния водород (LH2) пропелант, превръщайки го в йонизиран водороден газ (плазма), който след това се насочва през дюзи за генериране на тяга. Бяха направени няколко опита за изграждане на тест на тази система за задвижване, включително Project Rover: съвместно усилие между ВВС на САЩ и Комисията за атомна енергия (AEC), което стартира през 1955 г.

През 1959 г. NASA пое управлението от ВВС и програмата навлезе в нова фаза, посветена на приложенията за космически полети. Това в крайна сметка доведе до ядрения двигател за приложение на ракетни превозни средства (NERVA): ядрен реактор с твърдо ядро, който беше успешно тестван.

С приключването на ерата „Аполо“ през 1973 г., финансирането на програмата беше драстично намалено, което доведе до отмяната ѝ, преди да могат да бъдат проведени каквито и да е полетни тестове. Междувременно СССР разработи своя собствена концепция за NTP (RD-0410) между 1965 и 1980 г. и проведе единичен наземен тест преди отмяната на програмата.

Ядрено-електрическото задвижване (NEP), от друга страна, разчита на ядрен реактор, за да осигури електричество на двигател с ефект на Хол (йонен двигател), който генерира електромагнитно поле, което йонизира и ускорява инертен газ (като ксенон), за да създаде тяга. Опитите за разработване на тази технология включват проекта Прометей на Инициативата за ядрени системи (NSI) на НАСА (2003 до 2005 г.).

И двете системи имат значителни предимства пред конвенционалното химическо задвижване, включително по-висок специфичен импулс, горивна ефективност и практически неограничена енергийна плътност.

Докато концепциите на NEP се отличават с това, че осигуряват повече от 10 000 секунди импулс, което означава, че могат да поддържат тяга за близо три часа, нивото на тяга е доста ниско в сравнение с конвенционалните ракети и NTP.

Нуждата от източник на електрическа енергия, казва Госи, също повдига въпроса за отхвърлянето на топлината в Космоса, където преобразуването на топлинна енергия е 30–40 процента при идеални обстоятелства.

И докато проектите на NTP NERVA са предпочитаният метод за мисии с екипаж до Марс и отвъд него, този метод също има проблеми с осигуряването на адекватни начални и крайни ускорения.

Ето защо се предпочитат предложения, които включват и двата метода на задвижване (бимодални), тъй като те биха комбинирали предимствата и на двата. Предложението на Госи призовава за бимодален дизайн, базиран на реактор NERVA с твърдо ядро, който би осигурил специфичен импулс от 900 секунди: два пъти повече от сегашните характеристики на химическите ракети.

Предложеният от Госи цикъл също така включва компресор с вълна под налягане – или вълнов ротор (WR), – технология, използвана в двигателите с вътрешно горене, която използва вълните на налягане, произведени от реакциите, за да компресира входящия въздух.

Когато е сдвоен с NTP двигател, WR ще използва налягането, създадено от нагряването на LH2 горивото в реактора, за да компресира допълнително реакционната маса. Както Госи обещава, това ще осигури нива на тяга, сравними с тези на NTP концепция от клас NERVA, но с импулс от 1400–2000 секунди.

Въз основа на конвенционална технология за задвижване мисията на екипаж до Марс може да продължи до три години.

Снимка: NASA

Виж още: NASA откри изключително сходна на Земята планета