Lockheed Martin и BWXT разработают демонстрационный космический аппарат с ядерной тепловой двигательной установкой для программы DRACO НАСА / DARPA. (автор: Lockheed Martin)
Многие в космическом сообществе давно признали ценность, которую обеспечивает ядерная энергия, особенно для миссий за пределами околоземной орбиты. Ядерный реактор может вырабатывать электричество независимо от расстояния до Солнца или его видимости, что полезно как для полетов в отдаленные области Солнечной системы или к Луне, так и для двухнедельной лунной ночи. Ядерная реактивная тяга, тепловая или электрическая, обеспечивает гораздо более высокую эффективность, чем химические системы. А ядерная тепловая тяга (NTP), в частности, может значительно сократить время полета для миссий на Марс с экипажем.
«Преимущества ядерного реактора на тепловой тяге, такого как разрабатываемый DRACO, в космической области поняты и приняты энергетическими сообществами как постепенное изменение текущих возможностей», - сказал Додсон.
Тем не менее, был достигнут лишь скромный прогресс в области ядерной энергетики и двигательных установок из-за сочетания затрат, необходимости и опасений по поводу безопасности. Однако недавние события показывают, что наблюдается повышенный интерес к космическим ядерным системам, хотя это не обязательно приводит к равномерному прогрессу всех направлений.
Крупнейшее развитие ядерных систем в космосе произошло в прошлую среду, когда НАСА и DARPA объявили, что выбрали Lockheed Martin для разработки космического аппарата для демонстрации технологий NTP. НАСА и DARPA поровну разделяют стоимость соглашения в размере 499 миллионов долларов по программе демонстрационной ракеты для гибких окололунных операций (DRACO), о планах сотрудничества по которой два агентства объявили в январе.
«Преимущества ядерного реактора на тепловой тяге, такого как тот, который разрабатывает DRACO, в космической области поняты и приняты сообществом энергетиков и двигателистов как постепенное изменение текущих возможностей», - сказала Табита Додсон, менеджер программы DRACO в DARPA, во время брифинга о выборе Lockheed для разработки космического корабля. DRACO, по ее словам, «поможет убрать со стола множество программных и технических вопросов».
DRACO рисует картины космического аппарата, проносящегося через солнечную систему или, по крайней мере, в окололунном пространстве, благодаря своей высокоэффективной двигательной установке с большой тягой. (DARPA запустило проект DRACO из-за заинтересованности Министерства обороны в большей мобильности в окололунном пространстве; НАСА присоединилось, потому что рассматривает NTP как ключевую технологию для полетов человека на Марс.) Но вместо этого DRACO станет относительно скромным испытанием технологии, которая не только не покинет околоземную орбиту, но и не будет много маневрировать на околоземной орбите.
«По сути, это летающий испытательный стенд», - сказала она. После запуска на рабочую орбиту, вероятно, высотой от 700 до 2000 километров, космический аппарат не будет совершать никаких серьезных маневров, таких как повышение своей орбиты.
Вместо этого НАСА и DARPA планируют провести испытания реактора, в том числе с использованием низкообогащенного урана высокой пробы (HALEU), топлива менее мощного, чем высокообогащенный уран, ранее использовавшийся для космических ядерных систем, но без связанных с этим проблем с распространением ядерного оружия. «Это будет основной темой демонстрации DRACO, и процесс сбора данных о реакторе HALEU определит успех миссии», - сказал Додсон.
В прошлом системы NTP испытывались на земле, например, в рамках программы NERVA НАСА полвека назад на испытательном полигоне в Неваде. Энтони Каломино, портфельный менеджер по космическим ядерным технологиям в НАСА, сказал, что агентство изучило возможность тестирования системы на земле, либо путем реактивации этих старых испытательных стендов, либо путем строительства новых. Но требования по предотвращению выброса потенциально радиоактивных выхлопных газов в атмосферу означали, что «затраты на это на самом деле выше, чем, по нашим оценкам, будет стоить проведение этого испытания в космосе».
Ни представители правительства, ни промышленности на брифинге не рассказали много подробностей о космическом корабле DRACO, который Lockheed строит в сотрудничестве с атомной энергетической компанией BWXT. Додсон описал космический аппарат как аналогичный по размерам верхней ступени ракеты-носителя, который может быть размещен внутри обтекателя полезной нагрузки Falcon 9 или Vulcan Centaur (Космические силы обеспечивают запуск в качестве своего вклада в программу).
Они не раскрыли тягу, которую будет производить транспортное средство, хотя Каломино сказал, что его удельный импульс составит около 700 секунд, что лучше, чем у химических двигателей, но меньше, чем у других конструкций NTP, рассчитанных на 900 секунд. «Что касается миссии DRACO, то мы находимся как раз на том уровне, где мы можем получить инженерную значимость, необходимую для лучшего понимания двигателей с большей тягой», - сказал он.
«Если у вас произойдет сбой во время запуска или на самой стартовой площадке, мусор, который потенциально может образоваться в результате этого, ничуть не хуже мусора, который мог бы образоваться в результате аварии классической ракеты», - сказал Каломино.
В качестве топлива DRAGO будет использовать жидкий водород, который нагревается реактором и выбрасывается через сопло для создания тяги. Это ограничит демонстрацию парой месяцев из-за проблем с ограничением выброса жидкого водорода. «Сохранение водорода - большая проблема, поэтому мы захотим ускорить проверку космического корабля и ядерного реактора», - сказал Кирк Ширеман, вице-президент Lockheed Martin по кампаниям исследования Луны.
Однако он и правительственные чиновники не исключили дозаправки DRAGO, чтобы продлить его миссию; Lockheed разрабатывает «окололунный транспортер», который будет заправлять лунный посадочный модуль Blue Moon компании Blue Origin жидким водородом и кислородом (см. «Переделка лунного посадочного модуля», The Space Review, 22 мая 2023). Заправка, скорее всего, не потребуется для выполнения требований к испытаниям DRACO, сказал Ширеман, «но я бы с удовольствием заправил его, сохранил и использовал долгие годы».
Соглашение DRACO заключено как соглашение с фиксированной ценой, основанное на этапах. И Ширеман, и Джо Миллер, президент BWXT Advanced Technologies, заявили во время телефонного разговора, что их компании делают значительные инвестиции в программу, но не раскрыли конкретных цифр.
Большая часть обсуждения по телефону была сосредоточена на безопасности. Реактор стартует «холодным» и не будет запущен до тех пор, пока он не окажется на орбите. «Работать безопасно, находиться рядом безопасно», - сказал Каломино. «Если у вас произойдет сбой во время запуска или на самой стартовой площадке, мусор, который потенциально может образоваться в результате, ничуть не хуже мусора, который будет образован при обычной аварии».
«Частью проекта является обеспечение безопасности во время запуска», - сказал Миллер. Это включает сценарий, при котором реактор попадает в океан, где вода может вызвать критическую реакцию. По его словам, реактор включает конструктивные особенности для предотвращения этого случая, которые будут тщательно рассмотрены в рамках процесса утверждения правительством запуска ядерных систем.
Zeno Power получила награду NASA Tipping Point award за разработку нового типа радиоизотопной энергетической системы, которая могла бы обеспечивать энергией будущие лунные миссии. (автор: Zeno Power)
Zeno Power получила награду NASA Tipping Point award за разработку нового типа радиоизотопной энергетической системы, которая могла бы обеспечивать энергией будущие лунные миссии. (автор: Zeno Power)
Объявление о DRACO появилось на следующий день после того, как управление космических технологий НАСА выделило 11 компаниям 150 миллионов долларов в рамках своей программы «Переломный момент». Награды предназначены для продвижения технологий, представляющих интерес как для НАСА, так и для других заказчиков, вплоть до демонстрации полетов.
Среди победителей был Zeno Power, стартап, который получил 15 миллионов долларов на разработку радиоизотопной энергетической системы, которую можно было бы использовать на Луне. Проектом Harmonia руководит стартап с командой, в которую входят Blue Origin, разработчик лунных посадочных аппаратов Intuitive Machines, исследовательский центр Гленна НАСА и Центр космических полетов Маршалла, среди прочих.
Технология ближе к радиоизотопным термоэлектрическим генераторам (РТГ), с которыми НАСА летает десятилетиями, чем к ядерному реактору, но с некоторыми ключевыми отличиями. В отличие от обычной РТГ, которая использует термопары для преобразования тепла от распадающихся радиоактивных материалов в электричество, это тепло вместо этого приводит в действие двигатель Стирлинга для выработки энергии с эффективностью в три-четыре раза большей. НАСА годами изучало радиоизотопные генераторы Стирлинга, но никогда не запускало ни один из них, а в последние годы прекратило финансирование одного такого проекта из-за бюджетных ограничений.
«Мы будем опираться на большую часть работы, проделанной NASA Glenn и коммерческими организациями, и впервые фактически совместим двигатель Стирлинга с источником радиоизотопов для использования в космосе», - сказал Тайлер Бернштейн, соучредитель и генеральный директор Zeno Power.
«Как мы можем объединить различные объекты и обеспечить устойчивость с системами, которые работают годами, а не днями»? - спросил Бернштейн.
Другим важным отличием является радиоизотоп. Вместо Плутония-238 Zeno Power планирует использовать Америций-241. Этот изотоп, который еще не летал в космос, не вырабатывает столько энергии на грамм, сколько Плутоний-238, но он легко доступен. ЕКА, у которого нет доступа к Плутонию-238, ранее рассматривало возможность использования Америция-241 для будущих радиоизотопных энергетических систем.
Компания рассматривает технологию как ключ к обеспечению долгосрочных лунных операций, особенно в течение двухнедельной лунной ночи. «Существует ряд миссий, которые могут использовать эту технологию, позволяющую им работать и выживать в течение лунной ночи, а также работать в регионах с постоянной тенью», - сказал Бернштейн.
Цель проекта - подготовить энергетическую систему к посадке в 2027 году с помощью Intuitive Machines при поддержке Blue Origin. «Мы смотрим на гармонию на поверхности Луны», - сказал он о названии проекта Harmonia. «Как мы можем объединить различные объекты и добиться устойчивости с помощью систем, которые работают годами, а не днями»?
Финансирование технологии ядерного деления fission surface power
НАСА поддерживает другие усилия в области ядерной энергетики, включая разработку ядерных реакторов с расщеплением для обеспечения энергией базы на лунной поверхности. В июне 2022 года агентство выделило 5 миллионов долларов на исследовательские контакты командам, возглавляемым Lockheed Martin, Westinghouse и IX, совместным предприятием Intuitive Machines и X-Energy, для работы над первоначальными проектами этих систем.
Целью программы FSP (FPL) является разработка 40-киловаттного реактора, способного работать в течение 10 лет. Как и DRACO, реактор будет использовать топливо HALEU. Однако и НАСА, и его партнер, Министерство энергетики, включили несколько других проектных требований к системам.
«Мы можем черпать действительно инновационные идеи из трех партнерств», - сказала Линдси Калдон, руководитель программы FSP в NASA Glenn, во время панельной сессии в начале месяца на симпозиуме Памяти Гленна Американского астронавтического общества. «Мы можем увидеть некоторые нестандартные подходы».
Эти исследования должны были стать первой фазой программы, но неясно, когда НАСА сможет приступить ко второй фазе, чтобы превратить одну из предлагаемых конструкций в оборудование, пригодное для полетов. Агентство не сообщило, когда оно планирует направить запрос предложений по этому второму этапу.
«Сейчас у нас большой импульс в ядерном космосе», - сказал Билардо, поддерживая Артемис. «На этот раз мы хотим остаться».
Представители отрасли обеспокоены возможным разрывом между окончанием Phase 1 и началом Phase 2. Такой разрыв «заставляет нас в отрасли переназначать наши команды», - сказал Винс Билардо, отраслевой консультант, поддерживающий IX team.
Уделяя особое внимание таким программам, как DRACO, и ограниченному финансированию, он скептически отнесся к тому, что НАСА сможет получить финансирование для продолжения FSP в ближайшие несколько лет. Это особенно тот случай, когда НАСА ожидает, что бюджеты останутся неизменными в лучшем случае на 2024 и 2025 финансовые годы (см. «Хаотическая траектория бюджета НАСА», Космическое обозрение, 19 июня 2023 года.). «В нынешних условиях, я полагаю, что для НАСА будет непросто получить официальные разрешения на новый проект Start для этих различных элементов Artemis», - сказал он.
Он предложил НАСА найти способы расширить исследования Phase 1, чтобы поддерживать активность отраслевых команд, параллельно работая над ключевыми технологиями, позволяющими создавать энергетические системы, работающие на расщеплении: «Мы знаем, как должны выглядеть эти системы, и мы знаем, каков список технологий, позволяющих их реализовать». Также могут существовать способы использования технологий, разрабатываемых для ядерных двигательных установок для энергетических систем на поверхности Луны.
Несмотря на краткосрочные проблемы, стоящие перед FSP, Билардо с оптимизмом оценил состояние космических ядерных разработок в целом. «Сейчас у нас большой импульс в ядерном космосе», - сказал он. Он утверждал, что это была важнейшая возможность для Artemis обеспечить долгосрочное пребывание на Луне. «На этот раз мы хотим отправиться туда, чтобы остаться».
Джефф Фауст (jeff@thespacereview.com) - редактор и издатель Space Review, а также старший штатный писатель SpaceNews. Он также управляет веб-сайтом Spacetoday.net. Взгляды и мнения, выраженные в этой статье, принадлежат только автору.
