NASA ядерный двигатель и концепции

[ronatu]

The future of manned space exploration and development of space depends critically on the creation of a dramatically more proficient propulsion architecture for in-space transportation. A very persuasive reason for investigating the applicability of nuclear power in rockets is the vast energy density gain of nuclear fuel when compared to chemical combustion energy. Current nuclear fusion efforts have focused on the generation of electric grid power and are wholly inappropriate for space transportation as the application of a reactor based fusion-electric system creates a colossal mass and heat rejection problem for space application. The Fusion Driven rocket (FDR) represents a revolutionary approach to fusion propulsion where the power source releases its energy directly into the propellant, not requiring conversion to electricity. It employs a solid lithium propellant that requires no significant tankage mass. The propellant is rapidly heated and accelerated to high exhaust velocity (over 30 km/s), while having no significant physical interaction with the spacecraft thereby avoiding damage to the rocket and limiting both the thermal heat load and radiator mass. In addition, it is believed that the FDR can be realized with little extrapolation from currently existing technology, at high specific power (about 1 kW/kg), at a reasonable mass scale (less than 100 mt), and therefore cost. If realized, it would not only enable manned interplanetary space travel, it would allow it to become common place.

//

The key to achieving all this stems from research at MSNW on the magnetically driven implosion of metal foils onto a magnetized plasma target to obtain fusion conditions. A logical extension of this work leads to a method that utilizes these metal shells (or liners) to not only achieve fusion conditions, but to serve as the propellant as well. Several low-mass, magnetically-driven metal liners are inductively driven to converge radially and axially and form a thick blanket surrounding the target plasmoid and compress the plasmoid to fusion conditions. Virtually all of the radiant, neutron and particle energy from the plasma is absorbed by the encapsulating, metal blanket thereby isolating the spacecraft from the fusion process and eliminating the need for large radiator mass. This energy, in addition to the intense Ohmic heating at peak magnetic field compression, is adequate to vaporize and ionize the metal blanket. The expansion of this hot, ionized metal propellant through a magnetically insulated nozzle produces high thrust at the optimal Isp. The energy from the fusion process, is thus utilized at very high efficiency. Expanding on the results from the phase I effort, phase II will focus on achieving three key criteria for the Fusion Driven Rocket to move forward for technological development:

1. the physics of the FDR must be fully understood and validated,
2. the design and technology development for the FDR required for its implementation in space must be fully characterized, and
3. an in-depth analysis of the rocket design and spacecraft integration as well as mission architectures enabled by the FDR need to be performed. Fulfilling these three elements form the major tasks to be completed in the proposed Phase II study.

A subscale, laboratory liner compression test facility will be assembled with sufficient liner kinetic energy (about 0.5 MJ) to reach fusion breakeven conditions. Initial studies of liner convergence will be followed by validation tests of liner compression of a magnetized plasma to fusion conditions. A complete characterization of both the FDR and spacecraft will be performed and will include conceptual descriptions, drawings, costing and TRL assessment of all subsystems. The Mission Design Architecture analysis will examine a wide range of mission architectures and destination for which this fusion propulsion system would be enabling or critical. In particular a rapid, single launch manned Mars mission will be detailed.

Background

Did not have time to go back and review all of John Slough's work

Fusion plasmoid space propulsion

Reviewing the phase 1 project work for this project

John Slough fusion space propulsion work reviewed in 2011

At the NASA NIAC Spring Symposium, John Slough presented Nuclear Propulsion through Direct Conversion of Fusion Energy (30 pages)

John Slough could have an experiment in 2012 with a net gain in fusion energy of 1.6. It will be an imploding liner experiment. For space propulsion he is targeting a 200 times gain in energy output from what is input. Mission profiles are for 30 day or 90 day missions to Mars with over 5000 ISP.

* Lowest mass fusion system is realized with FRC (Field Reversed Configuration) compressed by convergent array of magnetically driven metal foils - steps (a), (b)

*Fusion neutron and particle energy is directly transferred to the encapsulating, thick metal blanket - step (c)
−Provides spacecraft isolation from fusion process
−Eliminates need for large radiator mass

* Expansion of hot, ionized propellant in magnetic nozzle - step (d)
−Produces high thrust at optimal Isp

Fusions Assumption:
• Ionization cost is 75 MJ/kg
• Coupling Efficiency to liner is 50%
• Thrust conversation ~ 90%
• Realistic liner mass are 0.28 kg to 0.41 kg
• Corresponds to a Gain of 50 to 500
• Ignition Factor of 5
• Safety margin of 2: GF =GF(calc.)/2

Mission Assumptions:
• Mass of Payload= 61 mT
• Habitat 31 mT
• Aeroshell 16 mT
• Descent System 14 mT
• Specific Mass of capacitors ~ 1 J/kg
• Specific Mass of Solar Electric Panels 200 W/kg
• Tankage fraction of 10% (tanks, structure, radiator, etc.)
• Payload mass fraction =Play load Mass
• System Specific Mass = Dry Mass/SEP (kg/kW)
• Analysis for single transit optimal transit to Mars
• Full propulsive braking for Mar Capture - no aerobraking

[ronatu]

Mark пишет:
Вашингтонский университет конкурирует с российскими НИКИЭТом и Центром Келдыша в разработке ядерного электрореактивного двигателя. 10.04.13

Проект, над которым работает команда из Вашингтонского университета, финансируется в рамках программы НАСА Innovative Advanced Concepts Program. На симпозиуме в прошлом месяце представители компании MSNW, президентом которой является профессор Джон Сло, представили теоретические обоснования возможности реализации полета на Марс с использованием энергии ядерного синтеза. Эти теоретические обоснования являются не просто математическими выкладками и догадками, они подкреплены результатами компьютерных моделирований и результатами первых проведенных экспериментов

Команда профессора Джона Сло опубликовала свои расчеты, демонстрирующие возможность совершения 30- и 90-дневные полеты к Марсу с помощью космического корабля, двигающегося за счет энергии ядерного синтеза. Согласно этим расчетам такой перелет за счет малой длительность будет достаточно практичен и гораздо менее дорогостоящ, нежели чем полеты на ракетах с химическим топливом. В настоящее время ученые собираются реализовать все свои теоретические наработки в виде лабораторных экспериментов и испытаний, которые, в свою очередь, будут объединены позже в виде единой экспериментальной энергетической установки, которая будет работать за счет реакции ядерного синтеза.

Реакция ядерного синтеза будет инициироваться, когда сгусток плазмы, возбужденной особым способом и обладающий собственным магнитным полем, будет сжат до огромного давления за счет воздействия сильного внешнего магнитного поля. Следует заметить, что эта технология была успешно опробована учеными на экспериментальной лабораторной установке, что подтвердило ее работоспособность. Реакция ядерного синтеза выделяет огромное количество энергии, которого достаточно для того, чтобы привести в движение космический корабль и разогнать его до высокой скорости. Ядерное топливо, объемом, равным объему маленькой песчинки, имеет энергетический потенциал, равный энергетическому потенциалу 5 литров ракетного химического топлива.
Двигательная система, разработанная командой профессора Джона Сло, работает следующим образом - в начале цикла в камере двигателя создается сгусток возбужденной плазмы, вокруг которого располагаются кольца из мягкого металла, лития. Под воздействием внешнего магнитного поля эти кольца создают вокруг плазмы почти цельную оболочку, заставляя ее сжиматься все сильней и сильней, до того момента, когда не "зажжется" реакция ядерного синтеза. Эта реакция продержится в активном состоянии всего несколько микросекунд времени, но энергии, выделившейся за все это время, будет более чем достаточно для того, чтобы испарить и превратить в высокотемпературную и высокоэнергетическую плазму металлическую оболочку. Этот перегретый материал, находящийся под огромным давлением и удерживаемый магнитным полем, устремляется наружу, двигая космический корабль вперед. Такие циклы повторяются с периодичностью один раз в минуту или около того, обеспечивая почти постоянную тягу, способную разогнать корабль до высокой скорости.
В настоящее время ученые работают над технологией сжатия плазмы до того момента, когда начнется реакция ядерного синтеза. Первые тестовые испытания экспериментальной установки профессор Джон Сло планирует провести к концу этого лета.

http://www.atomic-energy.ru/news/2013/04/10/41052

[ronatu]

Pulsed Fission-Fusion (PuFF) Propulsion System
July 19, 2013





Rob Adams
NASA Marshall Space Flight Center
Description
Fission-ignited fusion systems have been operational – in weapon form – since the 1950's. Leveraging insights gained from the weapons physics program, a Z-Pinch device could be used to ignite a thermonuclear deuterium trigger. The fusion neutrons will induce fission reaction in a surrounding uranium or thorium liner, releasing sufficient energy to further confine and heat the fusion plasma. The combined energy release from fission and fusion would then be directed using a magnetic nozzle to produce useful thrust. This type of concept could provide the efficiency of open cycle fusion propulsion devices with the relative small size and simplicity of fission systems; and would provide a radical improvement in our ability to explore destinations across the solar system and beyond. This proposal is modified version of last year's proposal - addressing issues raised during that evaluation.

http://www.nasa.gov/content/pulsed-fission-fusion-puff-propulsion-system/

[Mark]

@ ronatu
В форуме уже есть тема : NASA строит термоядерный двигатель Fusion Driven Rocket  :!:  

http://novosti-kosmonavtiki.ru/forum/forum13/topic13551/

Тоже факт, что ЯРД будет. А когда термоядерный двигатель будет, еще вообще не видно.

[Mark]

НАСА опубликовало список победителей первого этапа программы "Передовые инновационные концепты - 2013", в которой участники должны были продемонстрировать, насколько их изобретения смогут изменить будущее авиации и космонавтики. Каждый из 12 победителей получит по 100 000 долларов на дальнейшую разработку проекта в течение года, в том числе на написание начального технико-экономического обоснования.

Пульсирующий ядерно-термоядерный ракетный двигатель. Этот проект представлен Робом Адамсом (Rob Adams), сотрудником Центра управления полётами им. Маршалла НАСА. Он представляет собой новый подход к старой идее использования дейтерий-тритиевой плазмы в реакторе, где количество энергии, производимой в системе, было бы равно или превышало потребляемую энергию. Однако в данном случае нет необходимости добиваться этой безубыточности, поскольку разработка сосредоточена на получении нейтронов путём термоядерного синтеза с последующим увеличением количества нейтронов через реакцию распада. Существующие установки большого размера производят десятки мегаджоулей энергии за один импульс. Если же выход нейтронов направить в пульсирующий движитель, предложенный Адамсом, то общий ядерный выход импульса может составить 10 гигаджоулей, что с лихвой хватит на несколько космических кораблей.

http://technicamolodezhi.ru/news/novosti_nauki_i_tehniki/POBEDITELEY_NE_SUDYAT

[Александр]

ronatu пишет:

Mark пишет:
Вашингтонский университет конкурирует с российскими НИКИЭТом и Центром Келдыша в разработке ядерного электрореактивного двигателя. 10.04.13

Проект, над которым работает команда из Вашингтонского университета, финансируется в рамках программы НАСА Innovative Advanced Concepts Program. На симпозиуме в прошлом месяце представители компании MSNW, президентом которой является профессор Джон Сло, представили теоретические обоснования возможности реализации полета на Марс с использованием энергии ядерного синтеза. Эти теоретические обоснования являются не просто математическими выкладками и догадками, они подкреплены результатами компьютерных моделирований и результатами первых проведенных экспериментов

Команда профессора Джона Сло опубликовала свои расчеты, демонстрирующие возможность совершения 30- и 90-дневные полеты к Марсу с помощью космического корабля, двигающегося за счет энергии ядерного синтеза. Согласно этим расчетам такой перелет за счет малой длительность будет достаточно практичен и гораздо менее дорогостоящ, нежели чем полеты на ракетах с химическим топливом. В настоящее время ученые собираются реализовать все свои теоретические наработки в виде лабораторных экспериментов и испытаний, которые, в свою очередь, будут объединены позже в виде единой экспериментальной энергетической установки, которая будет работать за счет реакции ядерного синтеза.

Реакция ядерного синтеза будет инициироваться, когда сгусток плазмы, возбужденной особым способом и обладающий собственным магнитным полем, будет сжат до огромного давления за счет воздействия сильного внешнего магнитного поля. Следует заметить, что эта технология была успешно опробована учеными на экспериментальной лабораторной установке, что подтвердило ее работоспособность. Реакция ядерного синтеза выделяет огромное количество энергии, которого достаточно для того, чтобы привести в движение космический корабль и разогнать его до высокой скорости. Ядерное топливо, объемом, равным объему маленькой песчинки, имеет энергетический потенциал, равный энергетическому потенциалу 5 литров ракетного химического топлива.
Двигательная система, разработанная командой профессора Джона Сло, работает следующим образом - в начале цикла в камере двигателя создается сгусток возбужденной плазмы, вокруг которого располагаются кольца из мягкого металла, лития. Под воздействием внешнего магнитного поля эти кольца создают вокруг плазмы почти цельную оболочку, заставляя ее сжиматься все сильней и сильней, до того момента, когда не "зажжется" реакция ядерного синтеза. Эта реакция продержится в активном состоянии всего несколько микросекунд времени, но энергии, выделившейся за все это время, будет более чем достаточно для того, чтобы испарить и превратить в высокотемпературную и высокоэнергетическую плазму металлическую оболочку. Этот перегретый материал, находящийся под огромным давлением и удерживаемый магнитным полем, устремляется наружу, двигая космический корабль вперед. Такие циклы повторяются с периодичностью один раз в минуту или около того, обеспечивая почти постоянную тягу, способную разогнать корабль до высокой скорости.
В настоящее время ученые работают над технологией сжатия плазмы до того момента, когда начнется реакция ядерного синтеза. Первые тестовые испытания экспериментальной установки профессор Джон Сло планирует провести к концу этого лета.

http://www.atomic-energy.ru/news/2013/04/10/41052

          Профессора, доктора- я совсем не понимаю реалий действительности.   
         Как можно поднять давление до нужного электромагнитным полем?
         Они что там не понимают что если бы они были правы то тут в природе нашей земной
        давно    были бы термоядерные природные реакции, и Земли как таковой не было бы.
        Давление до нужного можно поднимать только гравитационным полем или ядерным взрывом.
      Это даже не обсуждается!

[pkl]

Сначала надо просто УТС сделать, а потом уже мечтать, как его приспособить к  космической технике. И можно ли вообще. По тематике УТС давненько новостей нет.

[Кубик]

Александр пишет: Как можно поднять давление до нужного электромагнитным полем?
Они что там не понимают что если бы они были правы то тут в природе нашей земной давно были бы термоядерные природные реакции, и Земли как таковой не было бы.

 Это вы чего-то не понимаете - где это, и не только на Земле, существуют такие мощные ЭМ поля? Разве что у нейтронных звёзд.. К тому же ТЯ реакции не идут в какой попало смеси, даже внутри звёзды..А давление и лазерным обжатием умеют создавать..

[DiZed]

насчет "нужного давления и температуры" для термоядерного синтеза - если бы для реализации эффективного термоядерного реактора было достаточно давления и температуры "как в центре звезды" - все бы уже давным давно было создано и работало;  фокус в том, что удельное тепловыделение в центре солнца составляет примерно 0.3 ватта на литр, - т.е. на порядок почти ниже, чем тепловыделение человеческого тела, и солнце как реактор "берет свое" исключительно за счет гигантского его размера. поэтому условия в "земном" (или космическом) реакторе должны быть намного жестче, чем в центре солнца

[Дмитрий Инфан]

pkl пишет:
Сначала надо просто УТС сделать, а потом уже мечтать, как его приспособить ккосмической технике. И можно ли вообще. По тематике УТС давненько новостей нет.

Возможно, для космического аппарата его сделать проще, чем для стационарной энергоустановки.

[Кубик]

DiZed пишет: для термоядерного синтеза - если бы для реализации эффективного термоядерного
реактора было достаточно давления и температуры "как в центре звезды" - все бы
уже давным давно было создано и работало; фокус в том, что удельное
тепловыделение в центре солнца составляет примерно 0.3 ватта на литр,

Неверный подход..Солнце не просто большое по объёиу и суммарному энерговыделению, оно ещё и обладает мощной гравитацией, не дающей ядру расшириться до снижения температуры и давления так, что прекратятся реакции... "Солнечная" ТЯ реакторная зона 10х10х10 м мощностью 300 кВт с температурой 15 миллионов градусов и плотностью плазмы 150г/см3      - чего ещё страшней удумать можно, говоря о "жёсткости выше солнечной"? Проектанты подходят иначе, ищут свои пути..

[DiZed]

Кубик пишет:

Неверный подход..Солнце не просто большое по объёиу и суммарному энерговыделению, оно ещё и обладает мощной гравитацией, не дающей ядру расшириться до снижения температуры и давления так, что прекратятся реакции... "Солнечная" ТЯ реакторная зона 10х10х10 м мощностью 300 кВт с температурой 15 миллионов градусов и плотностью плазмы 150г/см 3    - чего ещё страшней удумать можно, говоря о "жёсткости выше солнечной"? Проектанты подходят иначе, ищут свои пути..

да, там другие схемы синтеза, не протон-протон, с более низкой энергией активации, но поскольку и плотность плазмы несопоставимо ниже, и требуемая удельная мощность тепловыделения многократно выше - все равно приходится форсировать температуру. ITER, помнится, 150 млн. K

[Chilik]

Александр пишет:
... я совсем не понимаю реалий действительности.
 Как можно поднять давление до нужного электромагнитным полем?

В Вашей цитате некие перепевы на тему импульсных схем со стеночным удержанием плазмы.
Основные песни старые, конца 1950-х годов. Работы ведутся всё это время в разных целях, товарищ майор знает. Из последнего интересного (на что, похоже, и намекает Доктор [s]Зло[/s] Сло, это работы лаборатории Sandia. Гуглить по слову MagLIF. После Сандии тематика поползла на лазерные программы США (НИФ и Омега, из того, что знаю). Значит, что-то интересное получается.
Мне лениво искать, откуда у этой новости ноги растут. Сходу пока перспектив для космоса не вижу - всё-таки в этой технологии задействована крупная импульсная техника, которая весьма массивна и габаритна. А грант попилить и нарисовать заказчику технические требования на габариты накопительных конденсаторов - почему бы и нет?

[pkl]

НАСА заключило договор о разработке ядерного ракетного двигателя для полёта на Марс

Договор включает в себя разработку первоначального концептуальный проект реактора, ядерного топлива, планы развития основного производства, лицензирование, проведение наземных испытаний. Эти работы должны быть проведены до 30 сентября 2019 года.

Ого! Результатов ждать не так уж и долго! :|