Eksploracja i dominacja. Nuklearny napęd kosmiczny według NASA i DARPA [KOMENTARZ]

17 kwietnia 2021, 02:30
draco-04122021
Ilustracja: DARPA [darpa.mil]

Początek kwietnia 2021 przyniósł kilka rozstrzygnięć w amerykańskich zamówieniach publicznych zakładających przyspieszony rozwój cieplnego (termicznego) napędu nuklearnego dla zastosowań kosmicznych (Nuclear Thermal Propulsion, NTP - czego oczywiście nie należy utożsamiać z "termojądrowym"). Kontrakty przyznano zarówno w prowadzonym pod auspicjami Pentagonu programie kompletnych systemów nośnych wyposażonych w reaktory (projekt DARPA funkcjonujący pod dźwięcznym akronimem DRACO), jak również w ramach osobnej inicjatywy NASA, dotyczącej budowy silnika nuklearnego dla zastosowań eksploracyjnych (ogłoszonej jeszcze w 2017 roku jako część platformy badawczo-rozwojowej Game Changing Development Program).

Era kosmiczna, era atomu - światy styczne czy od siebie odległe?

Amerykańska Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w obszarze Obronności (DARPA) wzbudziła powszechne zainteresowanie kwietniowymi komunikatami o przyznaniu trzech osobnych, zalążkowych kontraktów w rządowym programie rozwojowym DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations). Jego przebieg dotyczy działającego na wyobraźnię pomysłu na kosmiczne zastosowanie reaktorów nuklearnych - w roli "serc" silników napędzających systemy transportu nowej generacji. Co ciekawe, w tym konkretnym przypadku nie wskazuje się na ich znaczenie dla eksploracji międzyplanetarnej, a raczej - walor operacyjny i szybkiego reagowania, łączony ze spodziewanym skokowym wzrostem technologicznego potencjału kontroli nad "strategicznymi punktami przyciągania" w domenie kosmicznej.

Przechodząc do rzeczy - popularna DARPA zleciła ostatnio trzy zalążkowe zamówienia w ramach "namaszczonego" przez Pentagon programu DRACO: firmom Lockheed Martin, Blue Origin oraz General Atomics. Chodzi o konkretne, częściowo komplementarne zadania dotyczące przebiegu pierwszej fazy rozwoju technologii - zarówno samego układu reaktora dla napędu NTP (Nuclear Thermal Propulsion), jak i projektu ogólnego demonstratora statku kosmicznego wykorzystującego taki rodzaj silnika. Cały program stawia sobie za cel sprawdzenie działania proponowanej technologii cieplnego napędu nuklearnego w przestrzeni kosmicznej - według zakładanego planu, jeszcze przed końcem 2025 roku.

Dalej pojawiają się już hipotetyczne przewidywania co do możliwości i użyteczności takiego systemu w amerykańskiej służbie - twierdzi się na przykład, że technologia zapewni rządowi i siłom zbrojnym USA zwiększone zdolności szybkiego reagowania i przemieszczania się na dystansach pozaorbitalnych, sięgających domyślnie Księżyca. "Manewrowość w domenie kosmicznej jest tradycyjnie ograniczona, ponieważ obecne elektryczne i chemiczne układy napędowe mają wady przejawiające się bądź to w niekorzystnej relacji ciągu do masy, bądź zbyt niskiej wydajności czynnika roboczego (w tej kolejności)" - podkreślono w oficjalnym uzasadnieniu realizacji programu DRACO.

Jak podkreślają sami przedstawiciele DARPA, system NTP daje szansę na przełamanie dysproporcji względem innych wymiarów operacyjnych (kosmos ich zdaniem jest tym ostatnim z pięciu uznawanych, gdzie zdolności przemieszczania, szybkiego reagowania i dynamicznej kontroli są technicznie niezapewnione). Sposobem ma być wypracowanie napędów kosmicznych o korzystniejszych wartościach ciągu względem masy (atut silników chemicznych, działających na zasadzie spalania czynnika roboczego) przy wysokiej wydajności materiału pędnego (charakterystycznej z kolei dla silników elektrycznych - jonowych bądź plazmowych, znanych z bardzo wysokich wartości impulsu właściwego).

W takim "scenariuszu", statek kosmiczny programu DRACO miałby pełnić już w niedalekiej przyszłości rolę czynnika przewagi operacyjnej w przestrzeni Ziemia-Księżyc (do dyspozycji Pentagonu i Sił Kosmicznych USA). Nieoficjalnie spekuluje się także o innych, znacznie bardziej ofensywnych zastosowaniach - jednak trudno je nawet traktować na tym etapie rysu koncepcyjnego jako możliwości choćby hipotetyczne.

Sztuka operacyjna a mobilność w kosmosie

Operacyjne ambicje względem wdrożenia silników NTP potwierdzają komentarze przedstawicieli DARPA do wyłonionych niedawno trzech ofert. „Technologia NTP, którą staramy się opracować i zademonstrować w ramach programu DRACO, ma stanowić podstawę przyszłych operacji w kosmosie” - stwierdził wprost mjr Nathan Greiner z USAF, kierownik programu DRACO. „Zespoły wykonawców zademonstrowały nam możliwości opracowania i dostarczenia zaawansowanych układów reaktorów, napędów i statków kosmicznych” - wskazał dalej w kontekście udzielonych zamówień. „Ta pierwsza faza programu DRACO to wysiłek mający na celu zmniejszenie ryzyka, co umożliwi nam szybkie zdążanie w kierunku sprawdzenia systemu na orbicie w późniejszych fazach” - dodał Greiner.

Faza 1 programu ma potrwać w sumie 18 miesięcy i składać się z dwóch ścieżek. Wątek "A" będzie obejmował opracowanie i zaprezentowanie wstępnego projektu reaktora NTP oraz koncepcji samego podsystemu napędowego. Wątek "B" natomiast obejmie wypracowanie koncepcji całego statku kosmicznego "do zastosowań operacyjnych" (Operational System) oraz osobnej koncepcji praktycznego demonstratora (Demonstration System). DS ma być przy tym naturalnie powiązany z propozycją OS, choć w przypadku demonstratora na pierwszym planie ma być możliwości sprawdzenia działania podsystemu napędowego NTP przygotowanego w wątku A.

Według tak zarysowanego przebiegu wydzielono odrębne zadania poszczególnych komercyjnych wykonawców. Koncern General Atomics będzie w tym przypadku samodzielnym autorem prac związanych z koncepcją rozwoju lekkiego reaktora na potrzeby silnika kosmicznego (wątek A) - za kwotę 22 mln USD. Z kolei Blue Origin (w kontrakcie opiewającym na 2,5 mln USD) i Lockheed Martin (stawka 2,9 mln USD) w wątku B niezależnie zajmą się opracowaniem konkurencyjnych koncepcji całych statków kosmicznych w wariantach OS i DS.

image
Ilustracja: USNC-Tech [usnc.com]

Warto przy tym zauważyć, że wskazane zamówienia nie wyczerpują zakresu pierwszej fazy programu - konkretne kontrakty technologiczne w programie DRACO były już zawierane wcześniej. Przykładowo, pod koniec września ubiegłego roku DARPA przyznała w tym programie warte 14 mln USD zlecenie firmie Gryphon Technologies. Umowa dotyczy wsparcia opracowania składników i wizji samego serca układu napędowego  - reaktora napędowego pracującego w oparciu o nisko wzbogacony uran (High-assay low-enriched uranium - HALEU). Warto zauważyć, że taki wkład paliwowy uznawany jest za najkorzystniejszy w konstrukcjach reaktorów wysokotemperaturowych.

Koniec końców oczekuje się, że faza 1. programu DRACO wyznaczy jednoznaczny kierunek, względem którego będzie podążać przebieg kolejnych faz: szczegółowego projektowania, produkcji przemysłowej prototypu i jego demonstracji na orbicie. Wszystkie z nich mają być konsekwentnie organizowane przez DARPA na zasadzie kolejnych serii zamówień.

Ważniejszy prom niż atom

Inicjatywy rozwoju systemów napędowych NTP nie są przy tym oczywiście niczym nowym (ani nawet specjalnie nowatorskim) - znaczące postępy w ich badaniu i rozwoju czyniono szczególnie w latach 1955-1972 w Stanach Zjednoczonych (do czasu zamknięcia programu NASA NERVA), jak również później w Związku Radzieckim (silnik RD-0410). Motywacja jednak znacząco osłabła po amerykańskiej rezygnacji z planów marsjańskich i wygranej w wyścigu księżycowym - silniki nuklearne musiały wówczas ustąpić miejsca programowi wahadłowców kosmicznych.

image
Schemat termicznego silnika nuklearnego programu NERVA. Ilustracja: NASA/domena publiczna

Powrót do prac nad koncepcją nastąpił relatywnie niedawno - blisko końca drugiej dekady XXI wieku. Sama NASA także wznowiła zlecanie zewnętrznych analiz koncepcyjnych i oceny możliwości stworzenia nuklearnego silnika cieplnego - w pierwszym od dawna wydzielonym budżecie agencji na cele rozwoju napędów nuklearnych (rok rozliczeniowy 2019) pojawiło się ok. 125 mln USD. Działania skupiono zwłaszcza w jednej z odnóg projektowych inicjatywy Game Changing Development Program. Zaangażowano do niej m.in. dobrze znane NASA spółki związane z amerykańską branżą energii jądrowej, wytwarzające przede wszystkim wkłady paliwowe do reaktorów różnego przeznaczenia (m.in. koncern USNC).

Ponadto swój udział w odnowionym projekcie NASA kontynuuje od 2017 roku także inny dostawca komponentów reaktorów jądrowych, firma BWX Technologies. Na początku kwietnia br. spółka podała zresztą, że otrzymała w tym programie nowy kontrakt od NASA (właściwie, poprzez spółkę zależną BWXT Advanced Technologies) - opiewający na 9,4 mln USD, z terminem realizacji na najbliższy rok. Na jego mocy wykonawca ma zaprojektować odpowiedni wkład paliwowy oraz koncepcję inżynieryjną procesu. Zakres ten ma obejmować produkcję i dostarczenie odpowiednio przygotowanego granulatu paliwowego dla koncepcyjnej konstrukcji NASA (zgodnie z deklaracjami, przedłożonej jako wynik innego zamówienia, zrealizowanego przez USNC).

W ostatnim czasie (na przestrzeni 2020 r.) BWXT prowadziło badania dotyczące kilku możliwych konfiguracji reaktorów i wariantów paliwa zdolnych do obsługi kosmicznego napędu jądrowego. Dwa z projektów skupiały się na poziomach mocy odpowiadających potrzebom demonstratora technologii. Opracowano też trzeci projekt, który proponuje bardziej zaawansowaną technologię i wyższe poziomy mocy - jest przy tym zapowiadane, że będzie gotowy na czas pod kątem realizacji pierwszych misji na Marsa.

Epilog

Układy napędowe NTP mogą działać na zasadzie wtłaczania czynnika roboczego (najczęściej wodoru) przez rozgrzany rdzeń reaktora. Atomy uranu rozpadają się wewnątrz rdzenia i uwalniają ciepło w reakcji rozszczepienia. Taki proces podgrzewa czynnik roboczy i przekształca go w gorący gaz, który jest następnie z dużą prędkością wyrzucany przez dyszę - wytwarzając ciąg.

Według istniejących wyników badań, systemy napędowe NTP mają potencjał zapewniania nawet dwukrotnie wyższego impulsu właściwego w porównaniu z najwydajniejszymi napędami chemicznymi. Przykładowo, silnik rakietowy napędzany ciekłym wodorem w obecności utleniacza jest w stanie wygenerować impuls właściwy równy 450 s [sekund] - przy ponad 900 s oczekiwanych od termicznego silnika nuklearnego.

Wiązane z tym nadzieje na rewolucję w ekstraorbitalnym transporcie kosmicznym wciąż studzą jednak znane ograniczenia, poziom skomplikowania konstrukcji i koszty odpowiednio wytrzymałych rozwiązań materiałowych w tym obszarze. Niemniej jest coraz więcej zadeklarowanych chętnych do ich rozwijania - także poza Stanami Zjednoczonymi. Tym pozostałym projektom warto przyjrzeć się osobno, przy kolejnej nadarzającej się okazji.


image
Z oferty Sklepu Defence24.pl

 

KomentarzeLiczba komentarzy: 51
ty i ja
sobota, 17 kwietnia 2021, 21:19

radiator jako katalizator -technologia kosmiczna lata swietlne od rosij

sobota, 17 kwietnia 2021, 22:10

Mocno się mylisz

Fanklub Daviena i GB
sobota, 17 kwietnia 2021, 16:19

Na 100% taki silnik nie będzie wyglądał tak jak na rysunkach. No chyba, że będzie do jakiś małych, lekkich satelitów (powierzchnia rośnie z kwadratem a objętość z sześcianem wymiarów, dlatego chłodzenie łatwiej rozwiązać w małych konstrukcjach). Problem z takim silnikiem, który udało się chyba rozwiązać dopiero Rosjanom, którzy tego typu silnik od lat budują i prawdopodobnie będzie gotowy do testów za 2-3 lata polega na tym, że nie ma jak z niego skutecznie odprowadzać ciepła. Próżnia jest doskonałym izolatorem i takie miniaturowe radiatorki i obudowy jak na rysunkach nie wystarczą do odprowadzenia ciepła z elementów silnika. :D

Davien
niedziela, 18 kwietnia 2021, 20:47

Funku, rosyjski silnik TEM ma ciag całych 15 Niutonów i to w prózni więc nadaje sie jedynie dla małych satelitów:) A Chłodzenie dawno USA rozwiazało chocby w NERVA.

Ernst Stavro Blofeld
sobota, 17 kwietnia 2021, 22:12

Ruskim to nie tak dawno podobny silnik wyparował i zawyły syreny ostrzegające przed promieniowaniem, tle że zamiast gazu wykorzystywać miał powietrze.

Davien
poniedziałek, 19 kwietnia 2021, 11:18

Nie taki, wg Rosatomu udała sie rozjanom sztuka prawie niemozliwa czyli wysadzenie w powietrze generatora RTG

Eytu
sobota, 17 kwietnia 2021, 21:26

"Próżnia jest doskonałym izolatorem i takie miniaturowe radiatorki i obudowy jak na rysunkach nie wystarczą do odprowadzenia ciepła z elementów silnika. :D" A słyszał towarzysz o promieniowaniu podczerwonym, które rozchodzi się bez ośrodka typu powietrze :) ?

Fanklub Daviena i GB
niedziela, 18 kwietnia 2021, 13:36

A widział znafca słowo radiator w mojej wypowiedzi? Znafca wie do czego służy radiator? Jak się dowie, to będzie wiedział, że tak, słyszałem o chłodzeniu przez promieniowanie i o tym piszę - że jest to najmniej wydajny sposób chłodzenia.

Jahuu
sobota, 17 kwietnia 2021, 20:17

A czasem to nie jest tak, że skoro to jest silnik termiczny, to chłodzenie go jest trochę sprzeczne z jego działaniem? Czasem rozszerzenie i wyrzut czynnika roboczego nie będzie odbierało energii cieplnej z silnika, a całe działanie tego silnika opiera się o próbę uzyskania jak najwyższej temperatury ? A problemem są głównie materiały, które wytrzymałyby te extremalne temperatury a także odizolowały silnik od reszty pojazdu ? Tak tylko pytam.

Fanklub Daviena i GB
niedziela, 18 kwietnia 2021, 00:42

Oczywiście, że ideałem byłoby, by silnik całe ciepło przekazywał do wyrzucanego paliwa. Ale kto potrafi zbudować silnik idealny? Potrafisz np. zbudować komorę spalania, która nie będzie się nagrzewała, tylko całe ciepło oddawała spalinom? Jakbyś potrafił, to silniki spalinowe nie potrzebowałyby chłodzenia... To samo jest z silnikiem jądrowym - musisz jakoś chłodzić reaktor i wymiennik ciepła, nie wszystko przekażesz paliwu. W dodatku tu nie masz limitu temperatury wynikającej z temp. spalania - dlatego reaktor, by uzyskać dużo wyższe temperatury niż możliwe do uzyskania ze spalania paliwa rakietowego. Jak nie będziesz ciepła odprowadzał, to się będzie kumulowało. Dotąd wyliczenia pokazywały, że rozmiary radiatorów byłyby monstrualne (pomysł nie jest nowością - wymyślono takie silniki w latach 50. ale nie zbudowano właśnie z uwagi na monstrualne wymiary radiatorów). PODOBNO (przynajmniej taki jest zgłoszony patent) Rosjanie to rozwiązali w ten sposób, że rozpylają w przestrzeń kosmiczną chłodziwo (co zapewnia dużą powierzchnię emisji w stosunku do objętości) - mniemam, że to chyba metal, bo coś innego by wyparowało i się ulotniło w Kosmos, które następnie jest zbierane przez "tarczę" umieszczoną na końcu pojazdu i kierowane ponownie do obiegu chłodzenia. Ale jak jest naprawdę to zobaczymy gdy to poleci, a może nawet wtedy nie zobaczymy, bo szczegóły będą utajnione... W każdym razie Rosja chwali się, że tylko z ich silnikiem załogowy lot na Marsa byłby możliwy w 6 tygodni zamiast 7-8 MIESIĘCY...

Davien
poniedziałek, 19 kwietnia 2021, 11:25

Rosyjski TEM ma ciąg całych 15N przy wadze 20ton, amerykańska NERVA miała przy 18 tonach masy ciag wystarczający dla górnego stopnia Saturna V Silnik NERVA był uruchamiany kilkadziesiat razy podczas testów

Davien
niedziela, 18 kwietnia 2021, 20:57

Po pierwsze zbudowano w USA silnik programu NERVA: długośc 6,9m, srednica2,6m masa 18 ton, po drugie czynnikiem roboczym jest wodórpo trzecie rosyjski TEM czyli nastepca RD-0410 ma ciag 15N przy masie ponad 20 ton wiec z czym Rosja startuje do ludzi jak nawet NERVA przy mniejszej masie miała wielokrotnie większy ciag.

inzynier
sobota, 17 kwietnia 2021, 23:24

okej, ale silnik w kosnosie działa tylko przez pewien czas, a co potem z ciepłem? Reaktor raczej bedzie miał sporą inercję

sobota, 17 kwietnia 2021, 22:14

Problemem jest tylko utrzymanie stabilnej masy krytycznej w małej ilości bardzo wzbogaconego materiału rozszczepialnego.

Eytu
sobota, 17 kwietnia 2021, 22:00

Wyrzucenie wodoru będzie trochę przypominało silnik jonowy. Z tym że czynnikiem napędowym będzie nie pole elektryczne lub magnetyczne a ciśnienie. Aby uzyskać największe ciśnienie trzeba wodór maksymalnie podgrzać w "butli"/ komorze i uwolnić je pulsacyjnie np zaworem. Aby instalacja się nie stopiła trzeba dobrać najlepsze stopy metali - być może "jakieś" stopy wolframu. Ponieważ cały statek będzie w większości z metalu będzie tę temperaturę przewodził. Aby nie doszło do stopienia różnych układów elektronicznych nie odpornych na wysokie temperatury potrzebny jest układ chłodzenia. Odizolowanie jak najbardziej jest potrzebne.

Fanklub Daviena i GB
niedziela, 18 kwietnia 2021, 15:39

Dlaczego zakładasz wodór jako czynnik roboczy? Wodór jest lekki (więc wymaga dużych zbiorników), trudny i niebezpieczny w przechowywaniu i tankowaniu. Przy wysokich temperaturach jako czynnik roboczy można by użyć nawet odparowane metale - przy tym samym ciśnieniu (prędkości wylotowej z dyszy), jako znacznie cięższe dawałyby proporcjonalnie większy ciąg. I np. 1 mm3 miedzi daje pod normalnym ciśnieniem aż 64cm3 par miedzi - dlatego jest używana we wkładkach kumulacyjnych i dlatego tak efektownie wybuchają rozdzielnie elektryczne... Można by wsuwać pręt miedziany, odparowywać go na końcu łukiem elektrycznym lub laserowo i miedzianą plazmę kierować w polu magnetycznym do nuklearnego dalszego podgrzewania a potem do dyszy. Tak mi się wymyśliło... :D

fdsa
poniedziałek, 19 kwietnia 2021, 12:14

Wodór ma inny przekrój czynny niż miedź

taka prawda
sobota, 17 kwietnia 2021, 15:58

Kolejna ściema USA, nie zbudują tego silnika przed Rosjanami, pieniądze owszem wydadzą, ale ten silnik pierwsi opracują i wdrożą Rosjanie .... żadnej dominacji USA w tej dziadzinie nie ma ...

Davien
niedziela, 18 kwietnia 2021, 20:59

USA dawno zbudowała taki silnik lzejszy od rosyjskiego TEM z XXI wieku i majacy wielokrotnie większy ciag niż rosyjski"wynalazek" Wiec jak widac Rosja ma spory problem:)

.
niedziela, 18 kwietnia 2021, 19:36

Rosjanie to wybuduja sobie nowe dacze i beda mieli nadzieje ze nikt nie zauwazy przewalow. Tak budowali nowy kosmodrom.

Davien
niedziela, 18 kwietnia 2021, 15:51

Tyle że USA juz miało taki silnik podobnie jak Rosjanie więc skończ z bajkami.

Marzycielu
niedziela, 18 kwietnia 2021, 12:31

USA za to pierwszy działający. Albo Chińczycy. Nikt poza nimi

Edyp
niedziela, 18 kwietnia 2021, 00:35

Zbudują tak jak su57 - do połowy.

GB
sobota, 17 kwietnia 2021, 19:00

Rosjanie to nie potrafią zbudować działającego silnika na metan. Żadna rosyjska rakieta go nie ma.

Fanklub Daviena i GB
niedziela, 18 kwietnia 2021, 01:02

Ale "znafca" jesteś... Nie ma najmniejszego problemu ze stosowaniem metanu po znikomych przeróbkach (albo i bez przeróbek) w większości rosyjskich silników na kerozynę czy naftę, jak np. RD-180. Nikt go dotąd nie stosował bo ma wady: metan o tej samej energii zajmuje dużo większą objętość niż nafta czy kerozyna, a do tego jest bardziej niebezpieczny i trudniejszy w przechowywaniu i tankowaniu. Paliwo to tylko 8% kosztów wynoszenia ładunków w Kosmos, więc tańsze paliwo jak metan, równoważony przez droższą, bo większą rakietę i trudniejsze serwisowanie, wcale nie był atrakcyjny. Teraz Rosja kombinuje z Amur-LNG, ale nie z uwagi na zalety metanu, tylko powszechne ekooszołomstwo - ma dość skarg Kazachstanów i grinPiSuf na toksyczność paliw rakietowych i skażenie środowiska, więc postanowiła zastosować metan. Aczkolwiek słyszałem już nawoływania ekooszołomów, że należy zaprzestać... hodowli krów, bo... pierdzą metanem "a to gaz cieplarniany"... :D

Valdore
niedziela, 18 kwietnia 2021, 15:53

funku i znowu rozsmieszasz ludzi:) Po takiej twojej przeróbce prymitywnego dosyć RD-180 bedziesz miał większe BUM niz wtedy kiedy wyleciał Wostok-M w 1980r

GB
niedziela, 18 kwietnia 2021, 14:28

Silnik na metan daje większy impuls właściwy niż na naftę itp. To jest główna zaleta metanu jako paliwa. Doucz się.

Clash
sobota, 17 kwietnia 2021, 18:38

Oni go zbudowali na przełomie lat 60 i 70.... Teraz powracają do tego projektu.

taka prawda
sobota, 17 kwietnia 2021, 21:37

Właśnie dlatego to piszę ...

hahaaaa
niedziela, 18 kwietnia 2021, 11:44

Rosja niech najpierw wybuduje chociaż tyle km autostrad co w maleńkiej Polsce buduje sie przez jeden rok. Maleńka Polska ma X razy więcej autostrad niż cała Rosja - niesamowite...

clash
niedziela, 18 kwietnia 2021, 09:14

Oni ten silnik opracowali i przetestowali z pozytywnym wynikiem , tak wiec Rosjanie nie moga byc pierwsi a dominacja USA w tej dziedzinie jest miadzaca ... A piszesz bo masz placone od postu ...ot co

Tweets Space24