Это только один из вариантов лунной атомной электростанции, окончательный вид которой ещё не избран (иллюстрация spaceflight.nasa.gov).
Южноамериканская лунная база должна показаться на нашем естественном спутнике кое-где после 2020 года. Посреди иных принципиальных вопросов, которые ещё предстоит решить, видное место занимает обеспечение её энергией. Самый обычный вариант — поля солнечных батарей. Но он не безупречен.Если базу строить поблизости 1-го из полюсов (пока учёные больше склоняются к южному), для неё нужно будет подобрать очень специфичное место. Там должен быть вечно затенённый кратер (в таком, предположительно, можно будет добывать водяной лёд), но в то же время рядом нужен участок, освещаемый солнечными лучами повсевременно. Или придётся прокладывать длинноватые кабели от солнечных батарей к базе.
Ну а если станция будет сотворена не у полюса, солнечные батареи там сумеют работать только половину лунных суток — считай полмесяца. А на вторую половину (лунную ночь) энергию необходимо будет припасать в аккумах колоссальной ёмкости и, соответственно, веса. А их нужно ещё на Луну доставить...
Для грядущего освоения нашей небесной соседки уже выдуманы реакторы для получения кислорода, роботы-землекопы, призванные приготовить площадку под базу, лунные авто и различные герметичные луноходы, придумана даже уникальная навигационная система для Луны (иллюстрация NASA).
Вариант с ядерной электрической станцией, невзирая на усложнение комплекса, сулит массу преимуществ. Маленькая АЭС поставляла бы ток безпрерывно, а места бы занимала — как автобус. Помнится, спецы как-то даже высказывали идею внедрения ядерных ракетных движков в лунной программке. Но она пока остаётся предметом дискуссии — сегодняшний план возвращения людей на Селену предугадывает внедрение обычных хим ракет. АЭС же на лунных просторах полностью может показаться.
Сначала августа этого года NASA вместе с министерством энергетики США (Department of Energy) окончило первую серию принципиальных тестов в рамках программки "Ядерный источник энергии на поверхности" (Fission Surface Power — FSP).
Выходная мощность таковой станции сначала должна составить всего 40 кв. Этого полностью хватит для функционирования маленький базы, зарядки луноходов и питания различного оборудования, разбросанного вокруг форпоста земной цивилизации. В предстоящем число модулей АЭС можно будет прирастить, подняв выработку электричества прямо до 1-го мегаватта, чего должно быть довольно для работы огромного лунного "посёлка".
Южноамериканские инженеры рассматривают два варианта размещения мини-АЭС на Луне: просто на поверхности и в контейнере, заглублённом в грунт. 1-ый проще возвести, но для обеспечения обычной радиационной обстановки будет нужно удалить электрическую станцию от края базы на один километр, ну и вес защиты будет выше. 2-ой востребует "земельных работ", зато неопасное расстояние от АЭС до границы базы составит всего 100 метров, а сама станция окажется легче (иллюстрации NASA).
Эта же станция могла бы послужить прототипом (и испытательным прототипом) аналогичного источника энергии для марсианской пилотируемой миссии. Не напрасно о маленькой атомной станции грезят "колонизаторы Марса". От каждого квадратного метра солнечных панелей на Красноватой планетке можно получить приметно меньше энергии, чем на Земле либо Луне. Неувязка утежеляется ещё и пылевыми бурями. Ну и припас на ночь никто не отменял, а сколько стоит "заброска" килограмма груза на Марс?
Вернёмся, вобщем, к проекту FSP. В базе этой системы будет лежать небольшой атомный реактор (по размеру как обыденное мусорное ведро), охлаждаемый водянистым металлом (консистенцией натрия и калия). Этот поток будет ориентирован в термическую машину, связанную с генератором. Как варианты спецы рассматривают комбинацию турбины и компрессора (работающую по закрытому циклу Брайтона), термоэлектрический генератор и ряд других методов конверсии энергии. Но самый реальный кандидат, как молвят инженеры, вариант с низким уровнем технического риска, — это движки Стирлинга.
Конкретно их не так давно и проверили в деле. Южноамериканская компания Sunpower выстроила для проекта пару расположенных друг напротив друга стирлингов-генераторов со свободными поршнями, вырабатывающих ток при подведении наружного тепла. В тестах системы FSP в качестве источника жара употреблялся мощнейший электронный нагреватель, поставляющий этим стирлингам поток водянистого металла при температуре 550 градусов Цельсия.
Термический тест стирлингов проходил в галлактическом центре Маршалла (Marshall Space Flight Center) (фото NASA).
В серии испытаний стирлинги-генераторы производили непрерывную мощность в 2,3 кв, а их КПД составил 32%, докладывает южноамериканское галлактическое агентство. Ли Мэйсон (Lee Mason) из исследовательского центра Гленна (Glenn Research Center), один из ведущих учёных проекта FSP, отозвался о системе так: "Она очень эффективна и надёжна, и мы считаем, что система сумеет работать в течение восьми лет без присмотра".
В дополнение к этим тестам стирлинги испытали на работоспособность в критериях сильной радиации, а конкретно — в 20 раз превосходящей ту, при которой они будут действовать в составе реальной АЭС. Учёные желали выяснить, как могут деградировать использованные материалы от соседства с реактором и галлактических лучей.
Установку отвезли в лабораторию Сандия (Sandia National Laboratories), и оказалось, что даже после 26 часов таковой радиационной "пытки" генераторы не демонстрируют каких-то конфигураций в работе, в том числе — падения мощности.
Другим принципиальным элементом будущей системы являются радиаторы, призванные рассеивать в пространстве тепло от стирлингов (или других термических машин-преобразователей). Материал таких панелей должен отлично работать при экстремальном перепаде температур меж лунными днём и ночкой, и к тому же в вакууме. Да ещё конструкция радиатора при всем этом должна быть очень лёгкой.
Инженер-испытатель NASA Марк Гибсон (Marc Gibson) готовит к тестам макет лунного радиатора (фото NASA).
В центре Гленна (при участии ряда промышленных компаний) разработали и выстроили макет такового теплообменника размером 1,8 х 2,7 метра. Его проверили в вакуумной камере, пропуская через трубки жаркую воду. Оказалось, что в "критериях Луны" радиатор отлично отводит прочь до 6 кв тепла, что даже больше, чем рассчитывали создатели устройства.
Лунная электрическая станция востребует 20 таких панелей, добавляют инженеры. После их развёртывания размах "крыльев" станции составил бы 34 метра. При всем этом сама установка занимала бы 7 метров в высоту, из которых 2 приходились бы на подземную часть.
FSP в "погружённом" выполнении до и после развёртывания панелей радиаторов. Понизу: схема станции (иллюстрации NASA).
Разные варианты насосов для водянистого металла и теплообменники для него же, "умная" управляющая электроника и многие другие элементы FSP так же прошли проверку в серии недавнешних тестов. Последующий шаг программки — сведение всех этих узлов воедино (но пока ещё всё равно без реального ядерного реактора), чтобы испытать работоспособность технологии в комплексе. Эта работа намечена на 2012-2014 годы, после этого можно будет "поженить" практически готовую электрическую станцию с крохотным "атомным котлом".
И пусть о посылке мини-АЭС на Луну официально ещё и речи не идёт, создатели системы FSP считают, что она возможно окажется очень прибыльной для будущей базы. "Эта система должна быть дешёвой, неопасной и надёжной, и наши недавнешние тесты показали, что мы можем удачно выстроить её", — заявил Дон Палас (Don Palac), управляющий проекта. По его словам, в случае положительного решения настоящая станция FSP могла бы быть высажена на Селене уже в 2020 году.
В первый раз за четверть века США выстроили принципно новейшую ракету-носитель пилотируемого класса. Первенец семейства машин, призванных поменять шаттлы и возвратить человека на Луну, – достаточно узкая, но достигающая в высоту 100 метров ракета Ares I-X не так давно была собрана на космодроме во Флориде. Её испытательный суборбитальный полёт намечен на 31 октября. О новых ракетах и кораблях NASA и примерном календаре их запусков мы, к слову, ведали (фото NASA).
==============================
Мечты о Луне оживят ядерные движки
http://www.membrana.ru/articles/technic/2007/06/29/144600.html
После ряда тестов 1950-1960-х годов и периода забвения этой технологии южноамериканские инженеры молвят о способности внедрения ядерных движков в лунной программке. Дескать, если сдуть пыль со старенькых чертежей, в их можно отыскать массу полезного.
NASA может сберечь млрд баксов в собственной лунной программке, если вновь вернётся к идее ядерных ракетных движков. Такую спорную идею выдвинули спецы южноамериканского исследовательского центра по использованию ядерной энергии в космосе (Center for Space Nuclear Research — CSNR).
Применив ядерные ракетные движки, можно резвее и дешевле выстроить лунную базу, утверждает Стивен Хоу (Steven Howe), директор CSNR, который представил результаты нового исследования на конференции по ядерным галлактическим технологиям (Space Nuclear Conference 2007), прошедшей на этой неделе в Бостоне.
Хоу предлагает перевести на ядерную тягу верхнюю ступень новейшей тяжёлой ракеты Ares V, которая должна составить тандем с более лёгкой ракетой-носителем Ares I в пилотируемой лунной экспедиции NASA.
Напомним, Ares V должен выводить на околоземную орбиту лунный модуль, а Ares I — корабль Orion с экипажем. Около Земли они стыкуются, и дальше разгонная ступень от Ares V обеспечит перелёт всей связки к Луне.
Кстати, семейство ракет-носителей Ares выстроено оковём композиции частей (баки, движки, твердотопливные ускорители), доставшихся от программки шаттлов и Apollo, правда, с модернизацией (об этом оптимальном подходе мы тщательно гласили, хотя тогда наименования Ares ещё не было).
С конца 1950-х по конец 1960-х в США было сделано несколько тестовых ядерных движков. Справа влево и сверху вниз: Kiwi-A Prime, один из первых опытнейших "атомных движков"; ядерный движок XECF; намеренный взрыв мотора Kiwi оковём разгона реактора (имитация нештатной ситуации на старте); один из тестов ракетного мотора по программке NERVA и транспортёр, вывозящий таковой движок на тесты (фото NASA, Smithsonian Institution и с веб-сайта jpcolliat.free.fr).
Итак, после новых высадок на Луну те же Ares V должны обеспечить транспорт для частей лунной базы. И тут-то, считают в CSNR, ядерный движок мог бы оказаться прибыльнее хим. Под выгодой они понимают не только лишь наилучшие технические свойства, что понятно, да и издержки, что уже вызывает вопросы.
Напомним, благодаря более высочайшей температуре рабочего тела и, соответственно, более высочайшей скорости истечения реактивной струи у ядерного ракетного мотора приметно больше удельный импульс: 850-1000 секунд против 350-450 у хим ЖРД. Также у ядерных движков хорошее отношение тяги к собственному весу (приблизительно от 3 до 10 к одному).
А большая эффективность ядерного мотора значит, что Ares V мог бы доставить на Луну практически 29 тонн груза, заместо 21 тонны в стопроцентно хим варианте (старт с Земли в обоих случаях должны обеспечить хим движки). Так что 250-тонную лунную базу можно будет возвести только за 9, а не 12 запусков, утверждает Хоу.
Он оценивает цена 1-го пуска Ares V в $1,5 млрд, а экономию на трёх стартах, как несложно подсчитать, в $4,5 млрд, разработку же и создание ядерной разгонной ступени — в $2,5-3 млрд. Так что выгода остаётся.
Принципиально отметить, что NASA не придётся начинать проект с нуля. Хоу предлагает отталкиваться от давнешней программки NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application), в рамках которой четыре 10-ка годов назад агентство выстроило несколько моделей ядерных ракетных движков с тягой в несколько тонн и удачно их испытало.
Закрытие той программки было в основном вызвано политическими причинами (дескать, "нет ядерным реакторам в космосе!"), соображениями экологической угрозы таких ракет в случае аварии, ежели техническими неуввязками.
Схема ядерного ракетного мотора, сделанного по программке NERVA 40 годов назад. Водянистый водород поначалу поступает в рубаху остывания сопла, а потом — в атомный (урановый) реактор, где греется от тепловыделяющих топливных сборок и выбрасывается через сопло. Часть нагретого газа раскручивает трубонасосы (иллюстрация NASA).
Заметим, подобные движки испытывали и в СССР, причём у нас также победа хим движков и забвение ядерных в основном было обосновано политикой, ежели техникой. При всем этом "младшие братья" ядерных ракетных чудовищ — радиоизотопные термоэлектрические генераторы — все эти годы продолжали исправно служить астронавтике (многие межпланетные станции и некие спутники поправлялись и питаются конкретно от таких генераторов), невзирая на ворчание "зелёных".
О том, что возврат к теме ядерных ракетных движков мог бы обеспечить полёт на Марс южноамериканские спецы молвят издавна. И если марсианская пилотируемая миссия всё же будет ядерной (а здесь вероятны варианты), данную технологию неплохо бы поначалу опробовать в лунном проекте.
Варианты же выполнения марсианской миссии — это электроракетный (ионный) привод с питанием от солнечных батарей либо от такого же ядерного реактора (но служащего только для выработки электроэнергии), или ионный привод в купе с хим разгонными блоками на исходной стадии полёта. Но чисто ядерный вариант (с ядерным термическим ракетным движком) — тоже имеет право на рассмотрение.
Но разве не опасность радиоактивного мотора послужила одной из обстоятельств отказа от так быстро стартовавших исследовательских работ по ядерным ракетным движкам по обе стороны океана?
Хоу гласит, что ядерное горючее, заключённое в крепкую тугоплавкую оболочку из вольфрамового сплава, выдержит даже катастрофу ракеты-носителя на старте (её хим ступени). Так что целые топливные сборки можно будет позже подобрать на местности.
Сам же реактор не будет запущен прямо до вывода ядерной ступени на околоземную орбиту. Стало быть, прошедший через каналы в активной зоне водород (рабочее тело) не попадёт в атмосферу планетки.
А это набросок марсианского пилотируемого корабля с двухрежимной ядерной установкой, разработанной в центре Гленна (Glenn Research Center) в 2003 году. В этом проекте термический ядерный ракетный движок сначала на полной мощности разгоняет комплекс к Марсу, а на маршруте работает на "малых оборотах", играя роль бортовой электростанции за счёт встроенного турбоэлектрогенератора. Искусственная гравитация в кабине экипажа обеспечивается раскруткой всего комплекса (набросок понизу) (иллюстрация с веб-сайта grc.nasa.gov).
Что до радиации, исходящей от ядерного мотора, то при соответствующей защите (масса которой будет полностью умеренной) его уровень излучения будет намного ниже, чем уровень галлактической радиации, которой подвергнутся космонавты на маршруте Земля-Луна. Так утверждает Роберт Синглетерри (Robert Singleterry), спец по радиационной безопасности центра Лэнгли (Langley Research Center).
Поэтому ядерную верхнюю ступень можно будет, по идее, использовать не только лишь для транспортировки на Селену частей лунной базы, да и для разгона по тому же маршруту связки "лунный посадочный модуль — корабль Orion".
И пусть официально NASA ворачивается на Луну только только на хим ЖРД, в научных центрах агентства в последние годы наблюдается активизация исследований в области термических ядерных движков. Пусть ещё работ – картонных.
А означает, после очень звучного, но холостого выстрела 1950-1960-х годов на новеньком уровне технологий астронавтика может возвратиться к данной теме.
ужс я даже не могу представить как это больно 