Демонстрационная ракета для маневренных операций на Цислуне
 Представление ракеты | |||
| Функция | Многоразовая орбитальная пусковая установка | ||
|---|---|---|---|
| Производитель | Локхид Мартин | ||
| Страна происхождения | Соединенные Штаты | ||
| Стоимость проекта | 499 миллионов долларов (этапы 2 и 3) [1] | ||
| История запуска | |||
| Статус | В разработке | ||
| Первый полет | 2027 (планируется) на Вулкане Кентавр | ||
| |||
| |||
Демонстрационная ракета для маневренных операций на Луне (DRACO) находящаяся в стадии разработки — это ракета-носитель, Lockheed Martin в партнерстве с BWX Technologies в рамках программы DARPA , которая будет продемонстрирована в космосе в 2027 году. [2] [3] Планируется, что экспериментальная машина будет многоразовой и будет использовать ядерную тепловую двигательную установку нового поколения и низкообогащенный уран . [2] [3] [4] с Космическими силами США для обеспечения запуска. [5] В 2023 году НАСА присоединилось к программе DARPA по разработке ядерной тепловой ракеты (NTR) для доставки экипажей астронавтов в места назначения в дальнем космосе, такие как Марс . [6] DRACO станет первой в мире орбитальной демонстрацией двигателя NTR. [7] Сообщается, что он будет запущен на борту Vulcan Centaur в качестве полезной нагрузки . [8]
Табита Додсон, менеджер программы DARPA в DRACO, говорит: «В отличие от сегодняшних химических систем, которые достигли предела своего развития, предполагается, что ядерные технологии разовьются до таких систем, как термоядерный синтез и выше. Ядерные реакторы позволят человечеству идти дальше, с более высокими шансами на выживание и успех для любого типа миссии». [9]
По данным Lockheed Martin, ядерная тепловая двигательная установка дает значительный выигрыш в эффективности и времени. [10] НАСА полагает, что гораздо более высокий КПД будет в два-три раза выше, чем у химического двигателя . [5] а ядерная тепловая ракета должна сократить время полета на Марс вдвое. [11]
Фон
[ редактировать ]В мае 1946 года ВВС США запустили проект «Ядерная энергия для приведения в движение самолетов» (NEPA) с целью изучить потенциал ядерной энергии для питания самолетов. [12] [13] Эта инициатива привела к совместному усилию ВВС и Комиссии по атомной энергии США (AEC), известному как программа «Авиационное ядерное движение» (ANP), направленное на разработку ядерных двигательных систем для аэрокосмических аппаратов. [12] [13] Программа ANP была отменена в марте 1961 года после инвестирования 1 миллиарда долларов. [12] [13]
Сообщается, что использование ядерной энергии для космических путешествий также обсуждается с 1950-х годов среди экспертов отрасли. Фриман Дайсон и Тед Тейлор , участвуя в проекте «Орион» , стремились создать раннюю демонстрацию технологии. В конечном итоге проект получил поддержку Вернера фон Брауна и дошел до стадии испытательного полета, но проект завершился досрочно из-за экологических проблем. [14]
В 1955 году ВВС в партнерстве с AEC разработали реакторы для ядерных ракет в рамках проекта Rover . [15] В середине 1958 года НАСА заменило ВВС. [15] и построил реакторы Kiwi для проверки принципов ядерных ракет в нелетающем ядерном двигателе. [16] ) НАСА и AEC на следующем этапе В рамках проекта «Ядерный двигатель для ракетных транспортных средств» ( NERVA стремились разработать ядерную тепловую ракету «как для дальних полетов на Марс, так и в качестве возможной верхней ступени для программы Аполлон». [16] Из-за проблем с финансированием проект NERVA завершился в 1973 году без летных испытаний. [16]
Новая программа
[ редактировать ]В 2020 году Национальные академии наук, техники и медицины по запросу НАСА созвали специальный комитет по космическим ядерным двигательным технологиям для определения основных технических и программных проблем и рисков для разработки космических ядерных двигательных технологий для использования в будущем. исследование Солнечной системы. Что касается ядерных тепловых двигательных установок (НТП), комитет определил следующие технологические проблемы: [17]
- Высокая рабочая удельная мощность и температура реактора необходимы для нагрева топлива примерно до 2700 К на выходе из реактора в течение каждого горения.
- Необходимость длительного хранения и обращения с криогенным жидким водородным топливом ( LH2 ).
- Короткое время запуска реактора (всего 60 с от нуля до полной мощности) по сравнению с другими космическими или наземными энергетическими реакторами.
- Работа с длительными переходными процессами при запуске и остановке системы NTP по сравнению с химическими двигателями. Это влияет на конструкцию турбонасосов двигателя и терморегулирование подсистемы реактора.
Комитет также подчеркнул отсутствие адекватных наземных испытательных объектов, отметив, что «в настоящее время в Соединенных Штатах нет объектов, которые могли бы провести наземные испытания полномасштабного реактора NTP на полной мощности, сравнимые с экспериментами Rover/NERVA. " [17] Тем не менее, в отчете комитета сделан вывод: «Агрессивная программа может разработать систему NTP, способную выполнить базовую миссию (миссию на Марс с экипажем во время противостояния ) в 2039 году». [17]
В апреле 2021 года DARPA объявило о запуске DRACO, заключив 18-месячные контракты Фазы 1 с General Atomics на разработку концепции ядерного реактора (22 миллиона долларов), а также с Blue Origin (2,5 миллиона долларов) и Lockheed Martin (2,9 миллиона долларов) на их конкурирующие проекты. концептуальные проекты операционной системы и демонстрационной системы. [18] [19]
В январе 2023 года НАСА и DARPA объявили о своем сотрудничестве по DRACO, разделив между собой программу стоимостью 499 миллионов долларов на этапы 2 и 3. [6] [20] НАСА будет отвечать за двигательную установку и ядерный реактор, а DARPA будет отвечать за требования к транспортному средству и его интеграции, концепцию операций миссии, разрешения ядерных регулирующих органов и полномочия на запуск. [6] Космические силы США планируют запустить DRACO либо на ракете SpaceX Falcon 9, либо на Vulcan Centaur United Launch Alliance. [ нужна ссылка ]
26 июля 2023 года DARPA и НАСА объявили о заключении контракта с Lockheed Martin и BWX Advanced Technologies (BWXT) на этапы 2 и 3 DRACO на проектирование, создание и демонстрацию экспериментального NTR для запуска в 2027 году . [20] [21] BWXT планирует спроектировать и построить реактор, изготовить топливо и поставить полную подсистему для интеграции в корабль DRACO. [22]
Дизайн
[ редактировать ]К основным конструктивным особенностям DRACO можно отнести следующее: [23] [24]
- Ядерный тепловой двигатель (НТП) будет состоять из реактора деления, передающего тепло жидкому топливу, в данном случае жидкому водороду . Это тепло преобразует водород в газ, который расширяется через сопло, создавая тягу.
- Ядерное топливо будет состоять из обогащенного урана , то есть 238 U (наиболее часто встречающийся изотоп) вместе с примерно 20% 235 U, делящийся изотоп. Этот уровень обогащения несколько выше, чем 3-5%, распространенные в легководных энергетических реакторах на Земле. [25] но ниже, чем обогащение примерно 90%, характерное для оружейного материала. Выбор 20% обогащения был сделан для того, чтобы уменьшить программные и нормативные накладные расходы.
Согласно меморандуму президента от 2019 года, [26] Разрешение на запуск космического корабля с использованием урана с обогащением ниже 20% (так называемого корабля «Уровня 2») требуется только руководителю агентства-спонсора (в данном случае министру обороны), а не Белому дому. . [27]
- Пропеллент будет состоять из жидкого водорода (LH2), хранящегося в криогенном резервуаре. Водород будет нагрет в реакторе менее чем за секунду с температуры примерно 20 К (-420 F) до примерно 2700 К. Для сравнения, типичная температура воды в современном водо-водяном реакторе составляет около 600 К.
- Реактор будет интегрирован с ракетным двигателем детандерного цикла . В этой конструкции турбонасос направляет жидкий водород под высоким давлением по двум путям. Первый охлаждает сопло двигателя и сосуд высокого давления. Жидкий водород на втором пути сначала охлаждает узлы поддержки активной зоны, затем приводит в действие турбонасосный агрегат, выхлопы которого направляются обратно в корпус реактора, где он поглощает энергию реакции деления. Затем перегретый газ расширяется через сопло, создавая тягу.
- Хотя подробности о расчетном уровне тяги не разглашаются, цель проектирования уточняется. [23] быть удельным импульсом, превышающим 800 секунд. (Это промежуток времени, в течение которого ракета может разогнать свою начальную массу при постоянной силе тяжести 1. [28] )
- В настоящее время неясно, насколько сложно будет поддерживать водородное топливо в жидком состоянии в течение длительных периодов времени, что потребуется для полетов на Марс. [29] Перенос жидкого криогенного топлива в космос еще не был продемонстрирован, но Lockheed Martin разрабатывает заправочную машину для поддержки лунного посадочного модуля Blue Moon компании Blue Origin , и, как сообщается, продолжаются дискуссии о возможности установки заправочного порта на DRACO. [23]
Разработка и тестирование
[ редактировать ]Второй этап программы DRACO будет включать испытания двигателя НТР без ядерного топлива, а третий этап будет включать сборку заправленного НТР со ступенью, экологические испытания и космический запуск для проведения экспериментов на НТР и его реакторе. [30] Министерство энергетики США предоставит металл HALEU компании BWX Technologies для переработки в низкообогащенное топливо. [31] Количество HALEU, использованное для автомобиля, вызвало некоторые опасения по поводу безопасности среди экспертов отрасли и научного сообщества. [32]
На втором этапе двигатель будет подвергнут испытаниям в холодном состоянии с использованием макета неядерного двигателя для оценки механической целостности активной зоны. Такие испытания проводились в рамках программы Rover/NERVA с целью изучения способов предотвращения разрушения активной зоны из-за давления и высоких массовых расходов из-за турбомашины двигателя. [33]
Фаза 3 будет посвящена тестированию запуска и космической среды, интеграции сборки и тестированию главной платформы, нагрузочному тестированию, а также изучению того, как взаимодействовать с двигателем и управлять им перед его отправкой в космос. Во время демонстрации Фазы 3 космический корабль будет запущен на высокую орбиту вокруг Земли на высоте от 435 до 1240 миль (от 700 до 2000 километров) над поверхностью. [23] После выхода в космос реактор ДРАКО не планируется активировать до тех пор, пока он не выйдет на безопасную орбиту. Минимальная высота орбиты определяется расчетным временем, которое потребуется продуктам деления до уровня радиоактивности, присутствующего при запуске. В случае реактора DRACO это около 300 лет, что требует орбиты выше 700 км, если время распада на орбите должно превысить это значение. [23]
Согласно графику, указанному в бюджетной смете НАСА на 2025 финансовый год, представленной Конгрессу, этап реализации проекта планируется начать в сентябре 2024 года. [34]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «DARPA и НАСА выбрали Lockheed Martin для демонстрации ядерной ракеты DRACO» Geekwire, 23 июля 2023 г.
- ^ Перейти обратно: а б Майк Уолл (26 июля 2023 г.). «NASA и DARPA запустят ядерную ракету на орбиту к началу 2026 года» . Space.com . Проверено 13 апреля 2024 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Lockheed Martin выбрана для разработки космического корабля с ядерной установкой» . СМИ — Локхид Мартин . Проверено 13 апреля 2024 г.
- ^ «НАСА нацелилось на Марс с помощью ядерного ракетного двигателя» . Новости Эн-Би-Си . 22 мая 2023 г. Проверено 10 мая 2024 г.
- ^ Перейти обратно: а б Фауст, Джефф (26 июля 2023 г.). «НАСА и DARPA выбрали Lockheed Martin для разработки демонстрации ядерной силовой установки DRACO» . Космические новости . Проверено 12 мая 2024 г.
- ^ Перейти обратно: а б с «НАСА и DARPA будут испытывать ядерный двигатель для будущих миссий на Марс» . 24 января 2023 г. Проверено 22 мая 2024 г.
- ^ «BWXT начнет работу над окололунным ядерным ракетным двигателем и топливом» . Мировые ядерные новости . 26 июля 2023 г. Проверено 12 мая 2024 г.
- ^ Эрвин, Сандра (31 октября 2023 г.). «Космические силы поручают ULA и SpaceX 21 миссию по обеспечению национальной безопасности» . Космические новости . Проверено 22 мая 2024 г.
- ^ «НАСА и DARPA сотрудничают с промышленностью по марсианскому ракетному двигателю» . НАСА . 26 июля 2023 г. Проверено 13 апреля 2024 г.
- ^ «(Ню) расчистите путь: будущее ядерных двигателей уже здесь» . Локхид Мартин . Проверено 13 апреля 2024 г.
- ^ Чанг, Кеннет (26 июля 2023 г.). «НАСА ищет ракету с ядерной установкой, которая сможет добраться до Марса в два раза быстрее» . Нью-Йорк Таймс . ISSN 0362-4331 . Проверено 10 мая 2024 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Вайд, Джек (21 июня 2021 г.). «История в двух частях: программа пилотируемых атомных самолетов» . Командование материальной частью ВВС . Проверено 15 мая 2024 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Макмиллан, Тим (4 октября 2023 г.). «Исследовательская лаборатория ВВС совершает гигантский скачок в новую космическую эпоху с планами создания космических аппаратов с ядерной установкой» . thedebrief.org . Проверено 15 мая 2024 г.
- ^ «Ядерный импульсный двигатель: врата к звездам» . анс.орг . Проверено 13 апреля 2024 г.
- ^ Перейти обратно: а б Бутц-младший, Дж. С. (1 июня 1961 г.). «Ровер — ядерный путь в космос» . airandspaceforces.com . Проверено 14 мая 2024 г.
- ^ Перейти обратно: а б с «Ядерные ракеты» . НАСА . Проверено 14 мая 2024 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Национальные академии наук, техники и медицины (2021 г.). Космическая ядерная двигательная установка для исследования Марса человеком (Отчет). Вашингтон, округ Колумбия: Издательство национальных академий. дои : 10.17226/25977 . ISBN 978-0-309-68480-4 .
{{cite report}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Эрвин, Сандра (12 апреля 2021 г.). «DARPA выбирает Blue Origin и Lockheed Martin для разработки демонстрационного космического корабля с ядерной двигательной установкой» . Космические новости . Проверено 2 июня 2024 г.
- ^ «DARPA выбирает исполнителей для первой фазы программы демонстрационной ракеты для гибких окололунных операций (DRACO)» . darpa.mil . 12 апреля 2021 г. Проверено 3 июня 2024 г.
- ^ Перейти обратно: а б Хитченс, Тереза (26 июля 2023 г.). «DARPA и НАСА привлекли компанию Lockheed Martin к проектированию и созданию ядерной ракеты DRACO для полетов в дальний космос» . Прорыв защиты . Проверено 9 мая 2024 г.
- ^ Давенпорт, Кристиан (27 июля 2023 г.). «НАСА и Пентагон заключили контракт на создание ракетного двигателя с ядерной установкой» . Вашингтон Пост . ISSN 0190-8286 . Проверено 10 мая 2024 г.
- ^ «BWXT предоставит двигатель ядерного реактора и топливо для космического проекта DARPA» . BWXT.com . BWX Technologies, Inc. 26 июля 2023 г. Проверено 10 июня 2024 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Норрис, Гай (14 августа 2023 г.), «Going Nuclear», Неделя авиации и космических технологий
- ^ Кривко, Яцек (22 июля 2024 г.). «Мы снова строим ядерные космические корабли – на этот раз по-настоящему» . Арс Техника . Проверено 23 июля 2024 г.
- ^ Коннолли, Томас Дж. (1978). Основы ядерной инженерии . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. п. 288. ИСБН 9780471168584 .
- ^ «Запуск космических аппаратов, содержащих космические ядерные системы» (Документ). Меморандум президента о национальной безопасности-20. 20 августа 2019 г.
- ^ Маккаллум, Питер (6–9 апреля 2020 г.). Улучшения в процессе одобрения ядерного запуска и возможности для новых миссий (PDF) . Ядерные и новые технологии для космоса 2020: Трек 3: Концепции и политика миссий для ядерных космических систем. Окриджская национальная лаборатория.
- ^ Гуджер, Э.М. (1970). Принципы движения космического полета . Эльзевир. ISBN 9781483158600 .
- ^ Цельникьер, LM (1993). Основы космического полета . Жиф-сюр-Иветт, Франция: Editions Frontieres. ISBN 9782863321317 .
- ^ «Демонстрационная ракета для маневренных операций на Луне (ДРАКО)» . darpa.mil . Проверено 12 мая 2024 г.
- ^ «DARPA начинает проектирование и производство экспериментального автомобиля NTR DRACO» . darpa.mil . 26 июля 2023 г. Проверено 15 мая 2024 г.
- ^ Кривко, Яцек (10 июня 2024 г.). «Планируемая DARPA ядерная ракета будет использовать достаточно топлива для создания бомбы» . Арс Техника . Проверено 16 июня 2024 г.
- ^ «Под руководством DRACO к запуску: интервью с Табитой Додсон из DARPA» . ans.org/news/ . 28 июля 2023 г. Проверено 28 июня 2024 г.
- ^ «Бюджетная оценка на 2025 финансовый год» (PDF) .