NERVA: mesin nuklir untuk eksplorasi ruang angkasa

(Untuk Lorenzo Pasturenzi)
10/03/20

Pada awal 50-an perlombaan ruang angkasa dari dua kekuatan planet besar, Amerika Serikat dan Uni Soviet, masih dalam masa pertumbuhan. Namun, dari sudut pandang teoretis, kedua negara telah menyusun beberapa sistem yang berguna untuk membawa manusia melampaui batas atmosfer, berkat kemajuan dalam mekanika orbital, rudal, dan kemampuan untuk mengerjakan bahan "khusus".

Salah satu tantangan sains dan teknik yang hebat adalah menyusun sistem propulsi yang cocok untuk misi ini, karena itu mampu menghasilkan daya dorong yang cukup untuk mengatasi kekuatan berat pesawat ruang angkasa dan memungkinkan mereka mencapai kecepatan lebih besar daripada kecepatan melarikan diri terestrial (lebih dari 40.000 km / jam). Selain itu, penting bahwa mesin kemudian dapat terus beroperasi di luar atmosfer, sehingga kendaraan dapat lebih mempercepat dan memanfaatkan dorongan untuk melakukan manuver orbital. Mereka kemudian mulai mendesain beberapa roket, yaitu mesin yang tidak memerlukan atmosfer eksternal untuk menarik bagian dari propelan, memiliki semua reagen yang diperlukan untuk operasi disimpan di papan dalam tangki khusus. Secara khusus, beberapa dikembangkan endoreaktor termokimia, secara konseptual sangat mirip dengan yang dirancang untuk kekuatan rudal di militer.

Gagasan di balik pendorong ini adalah untuk mengubah energi pengikat kimia reaktan (oksidan dan bahan bakar) menjadi entalpi campuran propelan (yaitu menjadi energi "yang dapat dibuang", "dapat ditukar" dari fluida kerja) melalui pembakaran, untuk kemudian membawa produk-produk dari reaksi kimia untuk berkembang menjadi nozzle gas-dinamis (saluran konvergen-divergen), mengubah entalpi menjadi energi kinetik (yaitu energi yang terkait dengan kecepatan terjemahan gas). Proses ini melibatkan percepatan gas dan oleh karena itu, oleh hukum aksi-reaksi dinamika, lahirnya gaya berlawanan yang bekerja pada mesin: dorongan.

Tiga jenis mesin termokimia dikembangkan: propelan cair, propelan padat dan propelan hibrida (gambar), ditandai dengan daya dorong yang berbeda yang dihasilkan dan oleh durasi proses pembakaran yang berbeda. Namun, dalam ketiga kasus, ada masalah yang berkaitan dengan berat propelan (terutama dalam kasus padat, dengan konsekuensi peningkatan berat kendaraan) dan dengan ukuran tangki penyimpanan (terutama dalam kasus cair karena kepadatan rendah). dari reagen, dengan konsekuensi peningkatan resistensi aerodinamis dalam penerbangan di atmosfer) Oleh karena itu, kebutuhan dipertimbangkan untuk mengembangkan jenis mesin lain yang akan memungkinkan untuk mengurangi massa propelan yang akan disimpan di atas kapal dan volume tangki: setiap kg yang disimpan akan diubah menjadi satu kg muatan yang dapat diangkut dan mengurangi tapak kaki akan mengurangi hambatan aerodinamis pada tahap awal penerbangan!

Perkembangan teknologi terkait dengan fisi nuklir membuat para ilmuwan berpikir bahwa energi atom adalah solusi optimal untuk merancang kelas mesin baru. Gagasan propulsi nuklir telah mulai berlaku di Amerika Serikat dan sedang dikembangkan baik di sektor maritim (pada tahun 1954 kapal selam nuklir pertama diluncurkan, Nautilus) dan di bidang aeronautika, melalui proyek NEPA (Energi Nuklir untuk Propulsi Pesawat-Energi nuklir untuk propulsi aeronautika) dan programnya ANP (Pesawat terbang Nuclear Propulsion - propulsi penerbangan nuklir).

Mengambil keuntungan dari pengalaman yang didapat, mereka mulai merancang yang pertama endoreaktor termal nuklir.

Pada tahun 1959 mesin roket nuklir pertama, Kiwi-A (Proyek “Rover”). Pada tahun 1961, hasil luar biasa yang diraih memberikan dorongan untuk melahirkan program yang lebih besar dan lebih ambisius yang disebut Nerva (Mesin Nuklir untuk Aplikasi Kendaraan Rocket - mesin nuklir untuk aplikasi ke kendaraan roket), di bawah arahan NASA dan AEC (Komisi Energi Atom-Komisi Energi Atom). Persyaratan engine yang dibangun selama program ini bervariasi terus-menerus, menjadi semakin ambisius dalam hal daya dorong yang diperlukan dan tenaga termal yang dihasilkan.

Berkat perbaikan berkelanjutan, para insinyur datang untuk berspekulasi untuk melengkapi tahap ketiga dari Saturnus V (misil yang membawa manusia ke bulan) dari sebuah mesin termal nuklir sedemikian rupa sehingga mampu membawa muatan besar dan dapat digunakan untuk eksplorasi Mars. Namun kurangnya dana mendorong untuk menurunkan lagi spesifikasi yang diperlukan, yang mengarah ke konstruksi mesin yang kurang kuat.

Program berlanjut hingga 1972, ketika dibatalkan oleh pemerintahan Nixon untuk memusatkan dana pada pengembangan protagonis besar eksplorasi ruang manusia: Space Shuttle.

Tekniknya

Mesin termal nuklir menggunakan fisi atom dari beberapa zat tertentu (yaitu penghancuran paksa atom dan nukleusnya) untuk menghasilkan panas, yang kemudian digunakan untuk memanaskan propelan. Dengan cara ini diperoleh entalpi dari fluida kerja (persis seperti dalam kasus pembakaran dalam endoreaktor termokimia). Propelan kemudian dapat diperluas menjadi nosel, di mana entalpi diubah menjadi energi kinetik. Hasilnya adalah percepatan fluida itu sendiri dan untuk prinsip aksi-reaksi dorongan yang bekerja pada mesin.

Reaksi fisi dipicu oleh bombardir dengan cara neutron pada beberapa atom bahan fisil yang digunakan (biasanya uranium-235). Dampak dari neutron menghasilkan penghancuran inti atom, yang komponennya bertabrakan dengan atom di dekatnya menyebabkan mereka rusak dan karenanya memicu proses. Fisi inti terutama menghasilkan dua bentuk energi: energi kinetik dari fragmen dan energi elektromagnetik (sinar gamma). Gerakan berbagai fragmen yang dihasilkan oleh fisi diterjemahkan menjadi peningkatan suhu material. Untuk mencegah reaksi menjadi tidak terkendali, keberadaan batang kendali (mereka menyerap fragmen yang dilepaskan oleh atom dengan menghambat reaksi) atau "moderator" yang mampu memperlambat neutron dengan mencegah mereka memecah-mecah atom diperlukan.

Memicu reaksi, propelan, biasanya hidrogen H2 dalam bentuk cair atau amonia NH3, adalah meluncur di dinding reaktor sehingga dapat menghilangkan panas dari itu, berkat perbedaan suhu antara fluida (sangat dingin) dan inti di mana fisi nuklir terjadi (sangat panas). Fluida yang bekerja, yang dipanaskan dengan proses ini, mencapai 2200-2700 ° C, berubah menjadi gas. Semakin tinggi suhu yang dicapai oleh gas, semakin besar energinya dan oleh karena itu daya dorong yang diperoleh oleh ekspansi mereka ke nozzle. Batasan pada gaya dorong maksimum yang dapat disediakan oleh sistem ini karena itu diberikan oleh suhu maksimum yang dapat dicapai oleh propelan tanpa menyebabkan dinding mesin rusak.

Berapa banyak massa propelan yang disimpan oleh sistem propulsi ini dibandingkan dengan endoreaktor termokimia?

Untuk menjawab pertanyaan ini, perlu untuk memperkenalkan parameter yang sangat penting untuk endoreaktor: theimpuls berat spesifik.

Parameter ini didefinisikan sebagai:

merpati T adalah daya dorong yang disediakan oleh mesin,mp adalah laju aliran (massa per detik) bahan bakar yang melewati nozzle e g0 adalah percepatan gravitasi bumi. Oleh karena itu impuls berat spesifik mewakili perbandingan antara daya dorong yang disediakan oleh mesin dan berat propelan yang melewati nosel (yang karenanya "menghasilkan" daya dorong tersebut). Ditambah lagi Isp itu besar, semakin banyak mesin mengatur untuk memberikan dorongan dengan massa yang dikonsumsi lebih rendah (karena itu berat) propelan! Mesin panas nuklir memungkinkan penggunaan propelan berbobot molekul rendah (misalnyahidrogen) dan dalam jumlah yang lebih kecil, karena tidak perlu memicu pembakaran, tidak perlu oksidan dan bahan bakar, oleh karena itu mereka memiliki impuls berat spesifik yang lebih besar (≈ 845 - 1000 secondi) dibandingkan dengan mesin termokimia (≈ 200-400 secondi).

Keuntungan yang diberikan oleh propulsi termal nuklir bahkan lebih jelas dengan memasukkan impuls berat spesifik dalam "Persamaan Rocket”, Itulah persamaan yang dalam salah satu bentuknya menghubungkan variasi kecepatan yang diberikan ke roket dengan massa propelan yang ada di kapal.

Bayangkan harus memberikan variasi kecepatan ke roket untuk manuver orbital 10 Km / s. Dalam hal mesin termokimia propelan cair dengan Isp500 detik persentase massa propelan yang dibutuhkan diperoleh sebesar 87% dari total massa roket. Dalam hal mesin panas nuklir dengan Isp900 detik Anda mendapatkan persentase massa propelan yang diperlukan sebesar 67.8% dari total massa roket!

Seperti yang ditunjukkan, propulsi nuklir menguntungkan, namun, masalah keamanan tidak boleh diremehkan, dari kemungkinan hilangnya bahan fisil hingga kebutuhan untuk melindungi kru dari radiasi yang dihasilkan dalam inti. Namun aspirasi Amerika baru-baru ini untuk membawa manusia ke Mars telah menghidupkan kembali minat pada jenis pendorong ini. Bahkan, dengan massa propelan yang sama, ia mampu memberikan peningkatan kecepatan yang lebih tinggi dibandingkan dengan reaktor termokimia, sehingga memungkinkan untuk melakukan perjalanan orbit transfer yang lebih pendek antara Bumi dan Planet Merah. Ini adalah aspek mendasar, terutama mengingat potensi risiko kesehatan bagi astronot terkait paparan radiasi matahari yang berkepanjangan.

Perumpamaan:

NASA

https://www.politesi.polimi.it/bitstream/10589/4764/1/2010_10_Mazzetti.pdf

https://4.bp.blogspot.com/-rhLf2-GQdA4/Wm3lJBrxfZI/AAAAAAAARiU/gekUPBxWK...

https://www.researchgate.net/figure/Credit-Atomic-Energy-Commission-The-...

https://www.researchgate.net/publication/224137251_Nuclear_propulsion_ch...

Sumber:

https://www.researchgate.net/publication/224137251_Nuclear_propulsion_ch...

https://www.researchgate.net/publication/320621010_HISTORY_OF_THE_NUCLEA...

Catatan tentang kursus propulsi kedirgantaraan, Politecnico di Milano