Nauja sintezės raketų variklių erdvės tyrinėjimų era

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

NASA ir Elonas Muskas svajoja apie Marsą, o pilotuojamos giliosios kosmoso misijos netrukus taps realybe. Tikriausiai nustebsite, tačiau šiuolaikinės raketos skrenda šiek tiek greičiau nei praeities raketos.

Greiti erdvėlaiviai yra patogesni dėl įvairių priežasčių, o geriausias būdas įsibėgėti yra naudojant branduolines raketas. Jie turi daug pranašumų, palyginti su įprastomis kuru varomomis raketomis ar šiuolaikinėmis saulės energija varomomis elektrinėmis raketomis, tačiau per pastaruosius 40 metų JAV paleido tik aštuonias branduoline energija varomas raketas.

Tačiau praėjusiais metais pasikeitė įstatymai dėl branduolinių kelionių į kosmosą, o darbas su naujos kartos raketomis jau prasidėjo.

Kam reikalingas greitis?

Pirmajame bet kokio skrydžio į kosmosą etape reikalinga nešančiaja raketa – ji iškelia laivą į orbitą. Šie dideli varikliai dirba su degiuoju kuru – ir paprastai, kai reikia paleisti raketas, jie turi omenyje. Greitai jie niekur nedings – kaip ir gravitacijos jėga.

Tačiau kai laivas įplaukia į kosmosą, viskas tampa įdomiau. Norint įveikti Žemės gravitaciją ir patekti į gilųjį kosmosą, laivui reikia papildomo pagreičio. Čia atsiranda branduolinės sistemos. Jei astronautai norės tyrinėti ką nors už Mėnulio ar tuo labiau Marso, jiems teks paskubėti. Kosmosas didžiulis, o atstumai gana dideli.

Yra dvi priežastys, kodėl greitosios raketos geriau tinka ilgoms kelionėms kosmose: saugumas ir laikas.

Pakeliui į Marsą astronautai susiduria su labai dideliu radiacijos lygiu, kupinu rimtų sveikatos problemų, įskaitant vėžį ir nevaisingumą. Apsauga nuo spinduliuotės gali padėti, tačiau ji yra labai sunki ir kuo ilgesnė misija, tuo galingesnio ekranavimo reikės. Todėl geriausias būdas sumažinti spinduliuotės dozę yra paprasčiausiai greičiau pasiekti tikslą.

Tačiau įgulos saugumas nėra vienintelis privalumas. Kuo tolimesnius skrydžius planuojame, tuo greičiau mums reikės duomenų iš nepilotuojamų misijų. „Voyager 2“prireikė 12 metų, kad pasiektų Neptūną – ir skrisdamas pro šalį jis padarė keletą neįtikėtinų nuotraukų. Jei „Voyager“turėtų galingesnį variklį, šios nuotraukos ir duomenys astronomams būtų pasirodę daug anksčiau.

Taigi greitis yra privalumas. Bet kodėl branduolinės sistemos yra greitesnės?

Šiandieninės sistemos

Įveikęs gravitacijos jėgą, laivas turi atsižvelgti į tris svarbius aspektus.

Stūmimas- kokį pagreitį gaus laivas.

Svorio efektyvumas- kokią trauką sistema gali sukurti tam tikram degalų kiekiui.

Specifinis energijos suvartojimas- kiek energijos išskiria tam tikras kuro kiekis.

Šiandien labiausiai paplitę cheminiai varikliai yra įprastos kuru varomos raketos ir saulės energija varomos elektrinės raketos.

Cheminės varomosios sistemos suteikia didelę trauką, tačiau nėra itin efektyvios, o raketų kuras nėra labai imlus energijai. Raketa „Saturn 5“, nuskraidinusi astronautus į Mėnulį, pakilimo metu atnešė 35 milijonus niutonų jėgos ir gabeno 950 000 galonų (4 318 787 litrų) degalų. Didžioji dalis to buvo skirta raketos iškėlimui į orbitą, todėl apribojimai yra akivaizdūs: kad ir kur eitumėte, jums reikia daug sunkiųjų degalų.

Elektrinės varymo sistemos sukuria trauką, naudodamos elektros energiją iš saulės baterijų. Labiausiai paplitęs būdas tai pasiekti yra naudoti elektrinį lauką jonams pagreitinti, pavyzdžiui, kaip Holo indukciniame variklyje. Šie įrenginiai naudojami palydovams maitinti, o jų svorio efektyvumas penkis kartus didesnis nei cheminių sistemų. Tačiau tuo pačiu metu jie skleidžia daug mažesnę trauką - apie 3 niutonus. To pakanka, kad automobilis nuo 0 iki 100 kilometrų per valandą įsibėgėtų maždaug per dvi su puse valandos. Saulė iš esmės yra bedugnis energijos šaltinis, tačiau kuo toliau laivas nuo jos tolsta, tuo ji mažiau naudinga.

Viena iš priežasčių, kodėl branduolinės raketos yra ypač perspektyvios, yra neįtikėtinas jų energijos intensyvumas. Branduoliniuose reaktoriuose naudojamo urano kuro energijos kiekis yra 4 milijonai kartų didesnis nei hidrazino, tipiško cheminio raketų kuro. Ir daug lengviau išgabenti šiek tiek urano į kosmosą nei šimtus tūkstančių galonų kuro.

O kaip dėl traukos ir svorio efektyvumo?

Du branduoliniai variantai

Kelionėms į kosmosą inžinieriai sukūrė du pagrindinius branduolinių sistemų tipus.

Pirmasis yra termobranduolinis variklis. Šios sistemos yra labai galingos ir labai efektyvios. Jie naudoja mažą branduolio dalijimosi reaktorių – kaip ir branduoliniuose povandeniniuose laivuose – dujoms (pvz., vandeniliui) šildyti. Tada šios dujos pagreitinamos per raketos antgalį, kad būtų užtikrinta trauka. NASA inžinieriai apskaičiavo, kad kelionė į Marsą naudojant termobranduolinį variklį bus 20-25% greitesnė nei raketa su cheminiu varikliu.

Sintezės varikliai yra daugiau nei du kartus efektyvesni už cheminius. Tai reiškia, kad jie tiekia dvigubai didesnę trauką už tą patį kuro kiekį – iki 100 000 niutonų. To pakanka, kad automobilis iki 100 kilometrų per valandą greičio įsibėgėtų maždaug per ketvirtį sekundės.

Antroji sistema yra branduolinis elektrinis raketinis variklis (NEPE). Nė vienas iš jų dar nebuvo sukurtas, tačiau idėja yra panaudoti galingą dalijimosi reaktorių elektrai gaminti, kuris vėliau varytų elektros varomąją sistemą, pavyzdžiui, Holo variklį. Tai būtų labai efektyvu – maždaug tris kartus efektyviau nei sintezės variklis. Kadangi branduolinio reaktoriaus galia yra didžiulė, vienu metu gali veikti keli atskiri elektros varikliai, o trauka pasirodys tvirta.

Branduoliniai raketų varikliai yra bene geriausias pasirinkimas itin tolimojo nuotolio misijoms: jiems nereikia saulės energijos, jie yra labai efektyvūs ir užtikrina gana didelę trauką. Tačiau, nepaisant daug žadančio pobūdžio, branduolinės energijos varomoji sistema vis dar turi daug techninių problemų, kurias reikės išspręsti prieš pradedant eksploatuoti.

Kodėl vis dar nėra branduolinių raketų?

Termobranduoliniai varikliai buvo tiriami nuo praėjusio amžiaus septintojo dešimtmečio, tačiau jie dar neskrido į kosmosą.

Pagal aštuntojo dešimtmečio chartiją kiekvienas branduolinės erdvės projektas buvo svarstomas atskirai ir negalėjo tęstis be daugelio vyriausybinių agentūrų ir paties prezidento pritarimo. Kartu su branduolinių raketų sistemų tyrimams finansavimo stoka, tai trukdė toliau plėtoti branduolinius reaktorius, skirtus naudoti kosmose.

Tačiau viskas pasikeitė 2019 m. rugpjūčio mėn., kai Trumpo administracija paskelbė prezidento memorandumą. Nors naujoji direktyva reikalauja didžiausios branduolinių ginklų paleidimo saugos, ji vis tiek leidžia vykdyti branduolines misijas su nedideliu kiekiu radioaktyviųjų medžiagų be sudėtingo tarpžinybinio patvirtinimo. Pakanka remiančios agentūros, tokios kaip NASA, patvirtinimo, kad misija atitinka saugos rekomendacijas. Didelės branduolinės misijos vyksta tomis pačiomis procedūromis kaip ir anksčiau.

Kartu su šia taisyklių peržiūra NASA iš 2019 m. biudžeto gavo 100 mln. USD termobranduolinių variklių kūrimui. Gynybos pažangių tyrimų projektų agentūra taip pat kuria termobranduolinės erdvės variklį nacionalinio saugumo operacijoms už Žemės orbitos ribų.

Po 60 metų trukusios stagnacijos gali būti, kad per dešimtmetį į kosmosą iškeliaus branduolinė raketa. Šis neįtikėtinas pasiekimas pradės naują kosmoso tyrinėjimų erą. Žmogus keliaus į Marsą, o moksliniai eksperimentai atves prie naujų atradimų visoje Saulės sistemoje ir už jos ribų.