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标题: 新的核火箭设计可在短短 45 天内将飞船送往火星 [打印本页]

作者: 七八七 时间: 2023-7-2 15:16
标题: 新的核火箭设计可在短短 45 天内将飞船送往火星

近地轨道双峰核热火箭的艺术家概念图
我们生活在一个新的太空探索时代，多个机构操持在未来几年将宇航员送上月球。在接下来的十年中，美国宇航局和中国将实行载人火星任务，不久之后其他国家大概会到场。这些和其他将宇航员带到低地球轨道 (LEO) 和地月体系之外的任务需要新技能，从生命支持和辐射屏蔽到动力和推进。对于后者，核热和核电推进(NTP/NEP) 是最有力的竞争者！
美国宇航局和苏联太空操持在太空竞赛期间花了数十年时间研究核推进。几年前，NASA重新启动了其核操持，目的是开发双峰核推进——一个由 NTP 和 NEP 元素构成的两部分体系——可以在 100 天内实现火星传输。作为2023 年NASA 创新先进概念(NIAC) 操持的一部分，NASA 选择了一个核概念举行第一阶段开发。这种新型双峰核推进体系使用“波转子顶循环”，可以将前往火星的运输时间缩短至仅 45 天。
该提案名为“双峰 NTP/NEP with a Wave Rotor Topping Cycle ”，由佛罗里达大学高超音速项目领域负责人兼佛罗里达工程应用研究(FLARE) 团队成员 Ryan Gosse 传授提出. Gosse 的提案是 NAIC 今年为第一阶段开发选定的 14 项提案之一，此中包罗一笔 12,500 美元的赠款，用于资助成熟相干技能和方法。其他提案包罗创新传感器、仪器、制造技能、电力体系等。
核推进根本上归结为两个概念，这两个概念都依赖于经过彻底测试和验证的技能。对于核热推进 (NTP)，循环包罗一个核反应堆加热液氢 (LH 2 ) 推进剂，将其转化为电离氢气（等离子体），然后通过喷嘴引导产生推力。已经举行了频频尝试来测试这种推进体系，包罗Project Rover，这是美国空军和原子能委员会 (AEC) 于 1955 年发起的一项互助项目。
双峰核热火箭举行核裂变反应，类似于核电站和大型水师舰艇（航空母舰和潜艇）所采用的反应。与所有版本的 NTP 一样，该循环由一个核反应堆构成，该反应堆加热像氘 (H 2 ) 这样的推进剂，然后通过喷嘴引导推进剂产生推力。已经举行了频频尝试来测试这种推进体系，包罗Project Rover，这是美国空军和原子能委员会 (AEC) 于 1955 年发起的一项互助项目。
1959 年，NASA 接管了美国空军，该操持进入了一个专门用于航天应用的新阶段。这最终导致了用于火箭车辆应用的核发动机(NERVA)，这是一种成功测试的实芯核反应堆。随着 1973 年阿波罗时代的竣事，该操持的资金大幅减少，导致它在举行任何飞行测试之前就被取消了。与此同时，苏联人在 1965 年至 1980 年间开发了他们自己的 NTP 概念 ( RD-0410 )，并在该操持取消前举行了一次地面测试。
另一方面，核电推进 (NEP) 依赖核反应堆为霍尔效应推进器（离子发动机）提供电力，霍尔效应推进器产生电磁场，电离并加速惰性气体（如氙气）以产生推力。开发这项技能的尝试包罗 NASA 的核体系操持(NSI)。普罗米修斯操持（2003 年至 2005 年）。与传统化学推进相比，这两种体系都具有相当大的优势，包罗更高的比冲 (Isp) 额定值、燃油服从和几乎无限的能量密度。

新型双峰 NTP/NEP，带有波转子顶循环，可快速到达火星

虽然 NEP 概念以提供超过 10,000 秒的Isp而著称，这意味着它们可以维持近三个小时的推力，但与传统火箭和 NTP 相比，推力水平相当低。Gosse 说，对电源的需求也引发了空间散热题目——在理想情况下，空间的热能转换率为 30-40%。虽然 NTP NERVA 设计是实行载人火星及其他任务的首选方法，但这种方法也存在为高 delta-v 任务提供足够的初始和最终质量分数的题目。
这就是为什么包含两种推进方法（双峰）的提案被以为是有利的，由于它们结合了两者的优点。Gosse 的发起要求采用基于实心 NERVA 反应堆的双峰设计，该反应堆将提供 900 秒的比冲 (I sp )，是当前化学火箭性能的两倍。Gosse 提出的循环还包罗压力波增压器 - 或波转子 (WR) - 一种用于内燃机的技能，利用反应产生的压力波来压缩进气。
当与 NTP 发动机配对时，WR 将使用反应堆加热 LH 2燃料产生的压力来进一步压缩反应物质。正如 Gosse 所承诺的那样，这将提供与 NERVA 级 NTP 概念相当的推力水平，但 I sp为 1400-2000 秒。Gosse 说，当与 NEP 循环配对时，推力水平会进一步进步：
“结合 NEP 循环，占空比 Isp 可以进一步增长（1800-4000 秒），同时增长最少的干质量。这种双峰设计使载人任务（45 天到火星）的快速运输成为大概，并彻底改变了我们太阳系的深空探索。”

艺术家构思的双峰核火箭前往月球、火星和太阳系的其他目的地

基于传统的推进技能，载人火星任务可持续长达三年。这些任务将每 26 个月发射一次，当时地球和火星最靠近（又名火星冲日），并且至少要耗费六到九个月的时间。45 天（六个半星期）的过境会将整个任务时间减少到几个月而不是几年。这将显着降低与火星任务相干的主要风险，包罗辐射暴露、微重力时间以及相干的健康题目。
除了推进之外，还有新的反应堆设计提案，可以为太阳能和风能并不总是可用的恒久地面任务提供稳定的电力供应。示例包罗 NASA 的使用 Sterling 技能的 Kilopower 反应堆(KRUSTY) 和被 NASA 的 NAIC 2023 选择用于第一阶段开发的混合裂变/聚变反应堆。这些和其他核应用有朝一日可以实现载人火星和深空其他地点的任务，也许比我们想象的要早！

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