Era baharu penerokaan angkasa lepas di sebalik enjin roket gabungan

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-16 16:12

NASA dan Elon Musk mengimpikan Marikh, dan misi angkasa lepas yang dikendalikan akan menjadi kenyataan tidak lama lagi. Anda mungkin akan terkejut, tetapi roket moden terbang sedikit lebih cepat daripada roket masa lalu.

Kapal angkasa pantas adalah lebih mudah untuk pelbagai sebab, dan cara terbaik untuk memecut adalah melalui roket berkuasa nuklear. Mereka mempunyai banyak kelebihan berbanding roket berbahan api konvensional atau roket elektrik berkuasa solar moden, tetapi dalam 40 tahun yang lalu, Amerika Syarikat telah melancarkan hanya lapan roket berkuasa nuklear.

Walau bagaimanapun, pada tahun lalu, undang-undang mengenai perjalanan angkasa nuklear berubah, dan kerja pada roket generasi akan datang telah pun bermula.

Mengapa kelajuan diperlukan?

Pada peringkat pertama mana-mana penerbangan ke angkasa, kenderaan pelancar diperlukan - ia membawa kapal ke orbit. Enjin besar ini menggunakan bahan api yang mudah terbakar - dan biasanya apabila ia datang untuk melancarkan roket, ia dimaksudkan. Mereka tidak akan ke mana-mana dalam masa terdekat - begitu juga dengan daya graviti.

Tetapi apabila kapal memasuki ruang angkasa, perkara menjadi lebih menarik. Untuk mengatasi graviti Bumi dan pergi ke angkasa lepas, kapal itu memerlukan pecutan tambahan. Di sinilah sistem nuklear dimainkan. Jika angkasawan ingin meneroka sesuatu di luar Bulan atau lebih-lebih lagi Marikh, mereka perlu tergesa-gesa. Kosmos sangat besar, dan jaraknya agak besar.

Terdapat dua sebab mengapa roket pantas lebih sesuai untuk perjalanan angkasa jarak jauh: keselamatan dan masa.

Dalam perjalanan ke Marikh, angkasawan menghadapi tahap radiasi yang sangat tinggi, penuh dengan masalah kesihatan yang serius, termasuk kanser dan ketidaksuburan. Perisai sinaran boleh membantu, tetapi ia amat berat dan semakin lama misi, perisai yang lebih berkuasa akan diperlukan. Oleh itu, cara terbaik untuk mengurangkan dos sinaran adalah dengan hanya sampai ke destinasi anda dengan lebih cepat.

Tetapi keselamatan anak kapal bukan satu-satunya faedah. Semakin jauh penerbangan yang kami rancang, semakin cepat kami memerlukan data daripada misi tanpa pemandu. Voyager mengambil masa 12 tahun untuk sampai ke Neptune - dan semasa ia terbang, ia merakam beberapa gambar yang luar biasa. Jika Voyager mempunyai enjin yang lebih berkuasa, gambar dan data ini akan muncul dalam ahli astronomi lebih awal lagi.

Jadi kelajuan adalah satu kelebihan. Tetapi mengapa sistem nuklear lebih pantas?

Sistem hari ini

Setelah mengatasi daya graviti, kapal mesti mempertimbangkan tiga aspek penting.

Teras- apakah pecutan yang akan diterima oleh kapal.

Kecekapan berat badan- berapa banyak tujahan yang boleh dihasilkan oleh sistem untuk jumlah bahan api tertentu.

Penggunaan tenaga khusus- berapa banyak tenaga yang dikeluarkan oleh jumlah bahan api.

Hari ini, enjin kimia yang paling biasa ialah roket bahan api konvensional dan roket elektrik berkuasa solar.

Sistem pendorong kimia memberikan banyak tujahan, tetapi tidak begitu cekap, dan bahan api roket tidak terlalu intensif tenaga. Roket Saturnus 5 yang membawa angkasawan ke bulan menghantar 35 juta newton daya semasa berlepas dan membawa 950,000 gelen (4,318,787 liter) bahan api. Kebanyakannya digunakan untuk membawa roket ke orbit, jadi batasannya jelas: ke mana sahaja anda pergi, anda memerlukan banyak bahan api berat.

Sistem pendorong elektrik menjana tujahan menggunakan elektrik daripada panel solar. Cara yang paling biasa untuk mencapai ini ialah menggunakan medan elektrik untuk mempercepatkan ion, contohnya, seperti dalam pendorong aruhan Dewan. Peranti ini digunakan untuk menggerakkan satelit, dan kecekapan beratnya adalah lima kali ganda daripada sistem kimia. Tetapi pada masa yang sama mereka memberikan tujahan yang lebih sedikit - kira-kira 3 newton. Ini hanya cukup untuk memecut kereta dari 0 hingga 100 kilometer sejam dalam masa kira-kira dua setengah jam. Matahari pada asasnya merupakan sumber tenaga yang tidak berhujung, tetapi semakin jauh kapal itu bergerak menjauhinya, semakin kurang bergunanya.

Salah satu sebab mengapa peluru berpandu nuklear sangat menjanjikan adalah keamatan tenaga yang luar biasa. Bahan api uranium yang digunakan dalam reaktor nuklear mempunyai kandungan tenaga 4 juta kali ganda daripada hidrazin, bahan api roket kimia biasa. Dan lebih mudah untuk membawa uranium ke angkasa lepas daripada ratusan ribu gelen bahan api.

Bagaimana dengan daya tarikan dan kecekapan berat?

Dua pilihan nuklear

Untuk perjalanan angkasa lepas, jurutera telah membangunkan dua jenis utama sistem nuklear.

Yang pertama ialah enjin termonuklear. Sistem ini sangat berkuasa dan sangat cekap. Mereka menggunakan reaktor pembelahan nuklear kecil - seperti yang terdapat pada kapal selam nuklear - untuk memanaskan gas (seperti hidrogen). Gas ini kemudiannya dipercepatkan melalui muncung roket untuk memberikan tujahan. Jurutera NASA telah mengira bahawa perjalanan ke Marikh menggunakan enjin termonuklear akan menjadi 20-25% lebih pantas daripada roket dengan enjin kimia.

Enjin gabungan adalah lebih daripada dua kali lebih cekap daripada enjin kimia. Ini bermakna bahawa mereka menghantar dua kali tujahan untuk jumlah bahan api yang sama - sehingga 100,000 Newton tujahan. Ini sudah cukup untuk memecut kereta ke kelajuan 100 kilometer sejam dalam kira-kira seperempat saat.

Sistem kedua ialah enjin roket elektrik nuklear (NEPE). Tiada satu pun daripada ini belum dicipta, tetapi ideanya adalah untuk menggunakan reaktor pembelahan yang berkuasa untuk menjana elektrik, yang kemudiannya akan menggerakkan sistem pendorong elektrik seperti motor Hall. Itu akan menjadi sangat berkesan - kira-kira tiga kali lebih cekap daripada enjin gabungan. Memandangkan kuasa reaktor nuklear sangat besar, beberapa motor elektrik berasingan boleh berfungsi pada masa yang sama, dan tujahan akan menjadi pepejal.

Motor roket nuklear mungkin merupakan pilihan terbaik untuk misi jarak jauh: mereka tidak memerlukan tenaga suria, sangat cekap dan memberikan tujahan yang agak tinggi. Tetapi untuk semua sifatnya yang menjanjikan, sistem pendorong tenaga nuklear masih mempunyai banyak masalah teknikal yang perlu diselesaikan sebelum mula beroperasi.

Mengapa masih tiada peluru berpandu berkuasa nuklear?

Enjin termonuklear telah dikaji sejak 1960-an, tetapi ia masih belum terbang ke angkasa.

Di bawah piagam 1970-an, setiap projek angkasa nuklear dianggap secara berasingan dan tidak boleh pergi lebih jauh tanpa kelulusan beberapa agensi kerajaan dan presiden sendiri. Ditambah dengan kekurangan dana untuk penyelidikan sistem peluru berpandu nuklear, ini telah menghalang pembangunan selanjutnya reaktor nuklear untuk digunakan di angkasa lepas.

Tetapi itu semua berubah pada Ogos 2019 apabila pentadbiran Trump mengeluarkan memorandum presiden. Walaupun menegaskan keselamatan maksimum pelancaran nuklear, arahan baharu itu masih membenarkan misi nuklear dengan jumlah bahan radioaktif yang rendah tanpa kelulusan antara agensi yang rumit. Pengesahan oleh agensi penaja seperti NASA bahawa misi itu mematuhi cadangan keselamatan adalah memadai. Misi nuklear yang besar melalui prosedur yang sama seperti sebelum ini.

Bersama-sama dengan semakan peraturan ini, NASA menerima $ 100 juta daripada bajet 2019 untuk pembangunan enjin termonuklear. Agensi Projek Penyelidikan Lanjutan Pertahanan juga sedang membangunkan enjin angkasa termonuklear untuk operasi keselamatan negara di luar orbit Bumi.

Selepas 60 tahun bertakung, ada kemungkinan roket nuklear akan pergi ke angkasa lepas dalam tempoh sedekad. Pencapaian luar biasa ini akan membawa kepada era baharu penerokaan angkasa lepas. Manusia akan pergi ke Marikh, dan eksperimen saintifik akan membawa kepada penemuan baharu di seluruh sistem suria dan seterusnya.