Несколько лет назад НАСА возобновило свою ядерную программу, чтобы разработать бимодальную ядерную силовую установку, которая могла бы долететь до Марса за 100 дней. В рамках программы НАСА Innovative Advanced Concepts (NIAC) на 2023 год агентство уже выбрало концепцию для первого этапа разработки. Этот класс бимодальной ядерной двигательной установки использует «цикл возбуждения волнового ротора», что может сократить время полёта до Марса до 45 дней.
«Бимодальный NTP/NEP с циклом топпинга волнового ротора» был разработан профессором Райаном Госсе, руководителем программы по гиперзвуку в Университете Флориды и членом группы прикладных исследований в области инженерии.
Это единственное из 14 предложений, выбранных в этом году для разработки фазы I, которая включает грант в размере $12 500. Другие предложения включали инновационные датчики, инструменты, технологии производства, энергетические системы и т.д.
Ядерный двигатель по существу сводится к двум концепциям. 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 в рамках Project Rover, совместного проекта ВВС США и Комиссии по атомной энергии (AEC).
Программа стартовала в 1955 году, а в 1959 году НАСА сменило ВВС США, и она вступила в новую фазу, посвящённую космическим полётам. В конечном итоге был создан ядерный двигатель для ракетных транспортных средств (NERVA). Это твердотопливный ядерный реактор, который прошёл успешные испытания. С завершением эры миссий «Аполлон» в 1973 году финансирование программы резко сократилось, что привело к её отмене до проведения лётных испытаний.
Между тем ядерно-электрическая двигательная установка (NEP) полагается на ядерный реактор, который обеспечивает электроэнергией двигатель на эффекте Холла. Ионный двигатель генерирует электромагнитное поле, которое ионизирует и ускоряет инертный газ (например, ксенон) для создания тяги. Эту технологию рассматривали в рамках Инициативы ядерных систем НАСА (NSI).
Обе системы имеют значительные преимущества по сравнению с обычным химическим двигателем, в том числе более высокий показатель удельного импульса (Isp), предлагают экономию топлива и практически неограниченную плотность энергии.
Концепции NEP обеспечивают более 10 000 секунд Isp. Это означает, что двигатель может поддерживать тягу в течение почти трёх часов, а её уровень 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%. Хотя конструкции NTP NERVA являются предпочтительным методом для миссий с экипажем на Марс, возникает проблема с обеспечением адекватных начальных и конечных массовых долей для миссий с высокой дельта-v. Вот почему предпочтение отдаётся предложениям, включающим оба метода движения (бимодальным), так как они будут сочетать в себе преимущества обеих технологий.
Госсе предлагает бимодальную конструкцию, основанную на твердотопливном реакторе NERVA, который будет обеспечивать удельный импульс (Isp) в 900 секунд, что в два раза превышает нынешние характеристики ракет. Предложенный Госсе цикл также включает в себя нагнетатель волны давления или волновой ротор (WR) — технологию, используемую в двигателях внутреннего сгорания.
В паре с двигателем NTP будет использоваться 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 ещё повысятся до 1800-4000 секунд.
Подобный дизайн потенциально позволит долететь до Марса за 45 дней, утверждает автор концепции. Это сократит общее время миссий до нескольких месяцев и снизит основные риски, связанные с полётами на Марс, включая радиационное облучение, микрогравитацию и т. д.
Также разрабатываются новые конструкции реакторов, которые обеспечат стабильное энергоснабжение для длительных наземных миссий, где солнечная и ветровая энергия не всегда доступны. Так, НАСА предложило концепт киломощного реактора с использованием технологии Sterling Technology (KRUSTY) и гибридного ядерно-синтетического реактора, который уже выбрали для фазы I NAIC 2023.
Ранее группа из Университета Макгилла в рамках запроса НАСА разработала лазер шириной 10 метров, который на Земле будет нагревать водородную плазму в камере позади космического корабля, создавая тягу. Это потенциально позволит отправлять миссии на Марс всего за 45 дней.
В конце 2021 года НАСА в рамках лунной программы Artemis обратилось к промышленности и Министерству энергетики США с просьбой помочь в разработке надёжного источника ядерной энергии в глубоком космосе. В агентстве уверены, что эти потребности может обеспечить ядерная энергетика.
В сентябре 2021 года минобороны США объявило конкурс на разработку ядерных двигателей для космических миссий за пределами околоземной орбиты. Министерству нужны «лёгкие, портативные и долговечные источники энергии» на малых и средних космических кораблях.
В июне 2022 года НАСА заключило контракты с тремя компаниями на разработку концептуальных проектов ядерных энергетических систем, предназначенных для использования на Луне.
