Ракетно-ядерный гибрид: на чем американцы полетят на Марс. Часть 2
Пилотируемая экспедиция на Марс — это целый комплекс проблем, включая преодоление колоссальных расстояний между небесными телами, вращающимися по своим орбитам вокруг Солнца. Для достижения Красной планеты требуется от семи до девяти месяцев. Такое путешествие не для слабонервных. Последний раз его совершил ровер Perseverance (NASA), он потратил на перелет около семи месяцев. Отправка людей много сложнее. Людям нужно вернуться на Землю, что требует соблюдения множества ограничений, включая окна запуска каждые 26 месяцев, когда планеты находятся ближе всего друг к другу. Экспедиция может занять до четырех лет. NASA предложило решение - корабль с гибридным ракетно-ядерным двигателем.
Комбинация химического и электроракетного двигателей
Исходя из существующих технологий, большинство предыдущих исследований рассматривали отправку людей по маршруту «Земля-Марс-Земля» по самому экономичному варианту с точки зрения небесной механики и затрат энергии на перелеты. Он предусматривал долгое (вплоть до 500 суток и более) пребывание экипажа корабля в системе Марса (на поверхности или на околомарсианской орбите) в ожидании наилучшего соединения планет для возвращения. Отсюда и общее время эквпедиции, которое могло составлять от трех до четырех лет.
Однако, учитывая текущий максимум пребывания экипажа на МКС в течение одного года, NASA попыталось рассчитать такой вариант марсианской экспедиции, который сокращал бы ее время до двух лет, снижая риск и минимизируя время нахождения в системе Марса.
Для реализации «быстрого» полета была выбрана траектория, включающая гравитационный маневр у Венеры. Однако энергия, необходимая для сокращения времени такого полета до двух лет примерно втрое больше, чем для описанной выше экономичной трех-четырехлетней миссии. Уравнение Циолковского ясно показывает, что для этого потребуется в несколько раз больше топлива, если только не увеличить удельный импульс двигательной установки.
Электроракетные двигатели способны обеспечить рост удельного импульса в 3-10 раз, но для использования в тяжелом пилотируемом корабле уровни энергии, потребляемые ими, приближаются к 10 МВт. Ни солнечные батареи, ни существующие ядерные энергоустановки такой мощностью не обладают.
При этом обнаружилось, что лучшие результаты дает такое сочетание: электроракетный двигатель, обладающий малой тягой и высоким удельным импульсом, используется для сокращения времени перелета в межпланетном пространстве, а химический ракетный двигатель с большой тягой и сравнительно невысоким удельным импульсом — для работы в гравитационных «колодцах» у Земли и Марса.
При этом уровень мощности, потребляемой электроракетными двигателями, снижается до 1,5 МВт, а требуемые затраты скорости старта и торможения у планеты уменьшаются в разы.
Целью проводимых в последнее время исследований, направленных на изучение жизнеспособных концепций марсианских пилотируемых экспедиций класса «туда и обратно», было определение возможности выполнить полет в ближайшее время. В качестве репрезентативной даты была выбрана возможность использовать противостояния планет в 2035 году. Предлагались разные варианты марсианского экспедиционного комплекса.
Признано, что наиболее оптимальным способом будет «ранняя доставка» посадочно-взлетного корабля на околомарсианскую орбиту в беспилотном варианте с последующим прибытием экипажа. Он совершает полет по маршруту «Земля-Марс-Земля» на корабле, оснащенном комбинированной двигательной установкой, включающей химический ракетный двигатель для «быстрых и резких» маневров, и электроракетные двигатели для длительных разгонов и торможений.
Тип электроракетных двигателей еще не определен. Они могут быть как ионными, так и плазменными. Первые отличаются исключительно высоким удельным импульсом, но имеющиеся образцы не могут похвастаться большой мощностью и высоким ресурсом. Со вторыми несколько проще, хотя для того, чтобы довести их характеристики до требуемых значений нужно провести большую работу.
В качестве химических на марсианском комплексе могут быть использованы существующие кислородно-водородные двигатели типа, например, RL-10, или их модификации для работы на модном сейчас кислородно-метановом топливе — сжиженный метан легче хранить, чем жидкий водород, хотя вопросы сбережения криогенных компонентов в условиях космоса в течение многих месяцев или лет пока решены только теоретически.
Естественно, в исследованиях предполагалось широкое использование уже имеющихся элементов ракетно-космической техники, созданных, в частности, по проекту Artemis. NASA предлагает собирать марсианский комплекс не на низкой околоземной орбите, а вблизи окололунной станции «Врата», с помощью «смешанного» флота средств доставки, включающего как сверхтяжелые «государственные» ракеты SLS, так и тяжелые коммерческие носители частных компаний. В расчетах масса полезного груза, запускаемого к месту сборки, составляла 45 т для SLS и 15 т для остальных средств выведения. Для запуска пилотируемых элементов комплекса предполагалось использовать две SLS с обтекателями диаметром 8,4 м, что ограничивало размер системы.
Собранный у лунных «Врат» марсианский перелетный корабль будет заправляться с помощью коммерческих «танкеров», а затем к нему на корабле Orion, запускаемом ракетой-носителем SLS, прибудет экипаж.
Интересно, что астронавты перейдут в комплекс и устремятся к Марсу, а Orion при этом либо вернется на Землю, либо будет ждать возвращение "марсиан" вблизи Луны.
ЯЭДУ на Марс
Как уже было отмечено, электроракетный двигатель для крупного корабля с экипажем требует большой энергомощности - минимум 1,5 МВт. Обеспечить ее может только ядерный реактор.
Для пилотируемой марсианской экспедиции NASA делает ставку на электроядерную систему NEP (nuclear electric propulsion), точнее говоря, на ядерную энергодвигательную установку (ЯЭДУ) мегаваттного класса с реактором деления.
Разработчики космической техники неоднократно обращали свои взоры к ядерной энергетике, обладающей рядом преимуществ: высокой удельной мощностью, большой плотностью энергии и независимостью от солнечного излучения. Исследования в области ЯЭДУ проводились на различных уровнях мощности и с разными целями. Ключевыми элементами разработки считались конструкция активной зоны реактора, система преобразования энергии и метод теплопередачи.
Первый аспект зависит от температуры, которую могли развивать ядерные сборки (элементы топлива). Как и в любой термодинамической системе, эта температура играет важную роль в эффективности и, следовательно, в удельной массе установки. Для очень мощных систем высокотемпературный реактор позволяет минимизировать массу ЯЭДУ и площадь радиатора сброса тепла, необходимые для выполнимости межпланетного перелета. С этой точки зрения желательно повышать температуру до возможных конструктивно-прочностных пределов используемых материалов. Однако при этом разработка сталкивается со сложностями натурных испытаний и падением надежности и безопасности реакторов.
Тепловая энергия преобразуется в электрическую с помощью различных термодинамических циклов и устройств, например, турбогенератора, термопары и термоионного преобразователя. Каждый вариант обладает определенной эффективностью (КПД) и «пропускной способностью», вследствие чего влияет на массу ЯЭДУ. На нижнем конце шкалы эффективности — полупроводниковые термопары, имеющие долгую историю использования в радиоизотопных термоэлектрогенераторах (РИТЭГ), которые широко применяются для дальних зондов, работающих годами и десятилетиями.
Однако более низкий КПД — проблема мощных систем из-за огромных размеров реактора, наличия тяжелого экрана для защиты термопар от радиации и колоссального радиатора для сброса отработанного тепла.
Системы с турбогенераторами имеет высокую эффективность, но плохо масштабируются, поскольку лучше работают с реакторами более высокой тепловой мощности, но требуют отводить тепло при более низкой температуре, из-за чего быстро растет площадь и масса радиатора.
В любом случае для пилотируемой межпланетной экспедиции следует рассмотреть двухконтурную систему: жидкий теплоноситель забирает тепло из активной зоны реактора и передает во второй контур, по которому циркулирует газ.
Нагреваясь, последний поднимает давление и вращает турбину электрогенератора, потом сбрасывает оставшееся тепло через радиатор и вновь возвращается к теплообменнику с первым контуром. Такая система защищена от утечек радиоактивности (они теоретически возможны только в первом контуре) и имеет приемлемую сложность.
Теплопередача играет важную роль в проектировании и надёжности космической ЯЭДУ. Существует три основных метода передачи тепла для охлаждения космических реакторов: тепловые трубы, прокачка жидкого металла и перекачивание газа. Все они предполагают движение теплоносителя, хотя их механизмы существенно различаются.
Тепловые трубы работают по пассивному двухфазному циклу испарения/конденсации. Им не нужен насос для перекачивания теплоносителя, как для остальных систем, но они отличаются невысокой эффективностью, особенно при большой удельной плотности теплопередачи.
По сравнению с ними активное охлаждение имеет преимущества в гибкости регулирования и более высокой тепловой пропускной способности. Типичные жидкие металлы, используемые в перекачиваемых контурах, — это литий, натрий, калий или эвтектические сплавы натрия и калия.
Системы с газовым охлаждением могут использовать тепло реактора для непосредственного вращения турбины генератора, что повышает эффективность подсистемы теплопередачи. Однако это приводит к единому газовому контуру «реактор — преобразователь энергии» и влияет на безопасность (растет возможность радиоактивного заражения системы за счет утечек радиоактивных элементов в контуре теплоносителя). Но самой большой трудностью и в теории, и на практике, оказалась система сброса лишнего тепла в космос.
В ЯЭДУ реактор выделяет тепло, которое преобразуется в электричество, идущее на ионизацию газов и ускорение ионов в электроракетных двигателях, создавая тягу для движения космического аппарата. Однако для межпланетного пилотируемого корабля ядерный реактор обязан вырабатывать огромное количество тепла, только часть из которого преобразуется в электроэнергию, а остальное приходится сбрасывать в космос.
Поскольку в вакууме возможен только лучистый теплообмен, для сброса необходимы радиаторы, обладающие гигантскими размерами. При полном раскрытии излучающий массив покроет площадь, примерно равную футбольному полю…
Проект MARVL: гигантский радиатор запустят по частям и соберут в космосе
Сложить всю радиаторную систему ЯЭДУ мегаваттного класса в достаточно компактную «посылку» — серьезнейшая проблема. Да, инженеры уже давно и успешно упаковывают космические аппараты в головные обтекатели ракет, а затем развертывают их после отделения от ракеты-носителя.
Лучший пример — зеркало космического телескопа имени Джеймса Вебба. Однако оно имеет всего лишь 6,5 метров в поперечнике, что намного меньше, чем нужно для радиаторов марсианской ЯЭДУ.
Основные работы по ЯЭДУ для пилотируемого марсианского перелетного корабля, также известного как транспорт для дальнего космоса, ведутся в Исследовательском центре имени Лэнгли (NASA). Инженеры предложили разбить радиаторную систему на несколько небольших компонентов, которые будут запускаться по отдельности и собираться на орбите без участия астронавтов, с помощью роботов. Проект называется MARVL (произносится почти как «марвел») и относится к модульным сборным радиаторам для аппаратов с ЯЭДУ.
«Таким образом, мы не должны пытаться втиснуть всю систему под головной обтекатель одной ракеты, — говорит Аманда Старк, специалист по теплопередаче в Центре Лэнгли и главный исследователь MARVL. — В свою очередь, это позволяет нам немного ослабить требования к конструкции и действительно оптимизировать ее».
По замыслу разработчиков, создание модульной системы отвода тепла и сборка "футбольного поля" уже в космосе с помощью роботов открывает новые возможности. Компоненты ЯЭДУ могут запускаться на орбиту в любом порядке и в любой комбинации.
Лэнгли — огромный научно-исследовательский и испытательный комплекс площадью более 280 гектаров, где трудятся тысячи инженеров, техников и научных специалистов. Он внес большой вклад в американскую космическую программу, включая разработки лунного модуля Apollo, космического телескопа имени Хаббла и аппарата Viking для посадки на Марс. Одно из направлений — космические технологии и научные исследования. Сейчас Центр в основном как раз занят разработкой марсианского корабля, который может запускаться по частям и собираться в космосе.
"Ранее процесс проектирования не рассматривал сборку отдельных элементов ЯЭДУ в космосе", — говорит Джулия Клайн, куратор проекта в Исследовательском управлении NASA в Лэнгли. Она руководила участием Центра в разработке плана доводки MARVL.
Для того, чтобы сделать систему более компактной, NASA рассматривало «четырехкрылый» вариант радиатора ЯЭДУ, которая могла бы складываться в головной обтекатель одной ракеты-носителя SLS и в космосе раскладываться в виде креста в перпендикулярных плоскостях. Но из-за особенностей теплопередачи эта конструкция требовала большей общей площади поверхности, а системы развертывания получались тяжелыми и сложными.
«Двухкрылый» вариант (радиатор раскладывается в одной плоскости) имеет несколько преимуществ: может запускаться по частям на коммерческих ракетах-носителях без необходимости в супертяжелой SLS, не ограничивает размер радиатора и избегает положений, в котором излучающая поверхность может стать поперек солнечного потока, что мешает эффективному охлаждению.
Решив задачу по надежной сборке в условиях космоса радиаторной системы, имеющей очень малую жесткость, но высокую герметичность, можно будет обеспечить большую свободу в проектировании и организации транспортных операций при подготовке к марсианской экспедиции.
Директорат космических технологий NASA выделил проект MARVL в рамках программы «Инициатива в начале карьеры», предоставив команде два года на разработку концепции. Старк и ее коллеги работают над системой регулирования сброса тепла вместе с внешним партнером — компанией Boyd Lancaster. В команду также входят инженеры-конструкторы радиаторов из исследовательского Центра Гленна NASA в Кливленде и инженеры по жидкостям из Центра Кеннеди NASA во Флориде. Через два года команда надеется провести проверку MARVL на демонстраторе малого масштаба.
Чтобы не сильно увеличивать размер марсианского перелетного корабля и достичь приемлемо высокого уровня технологии ЯЭДУ, предлагается объединить ядерную часть двигательной установки с ракетной ступенью на химическом топливе.
Таким образом ставка сделана на ядерный реактор, гибридную двигательную установку и собираемый в космосе массив радиаторов MARVL.
Ключевым моментом, по-видимому, является ослабление требований к прочности конструкции, поскольку, как упомянула Старк, предыдущие идеи предполагали монтаж всей ЯЭДУ под головным обтекателем одной ракеты, закрывающим и защищающим конструкцию на атмосферном участке выведения. Но даже в этом случае будет крайне сложно надежно развернуть сверхтонкие пластины радиатора площадью с футбольное поле, пронизанные трубками газообразного теплоносителя.
