Cohete de demostración para operaciones ágiles cislunares

Nave espacial desarrollada por Lockheed Martin

El cohete de demostración para operaciones cislunares ágiles (DRACO) es una nave espacial en desarrollo por Lockheed Martin en asociación con BWX Technologies como parte de un programa DARPA que se demostrará en el espacio en 2027. ^{[2] [3]} Se planea que el vehículo experimental sea reutilizable y utilizará tecnología de propulsión térmica nuclear de próxima generación y uranio poco enriquecido , ^{[2] [3] [4]} con la Fuerza Espacial de EE. UU. para proporcionar el lanzamiento. ^[5] En 2023, la NASA se unió al programa DARPA en el desarrollo del cohete térmico nuclear (NTR) para transportar tripulaciones de astronautas a destinos del espacio profundo como Marte . ^[6] DRACO será la primera demostración en órbita del mundo de un motor NTR. ^[7] Según se informa, se lanzará a bordo de un Vulcan Centaur como carga útil . ^[8]

Tabitha Dodson, directora del programa DRACO de la DARPA, afirma: "A diferencia de los sistemas químicos actuales, que han llegado a un límite en cuanto a su capacidad de evolución, se cree que las tecnologías nucleares evolucionarán hacia sistemas como la fusión y otros más. Las naves espaciales que evolucionaron para ser maniobradas y propulsadas por reactores nucleares permitirán a la humanidad llegar más lejos, con mayores posibilidades de supervivencia y éxito para cualquier tipo de misión". ^[9]

Según Lockheed Martin, la propulsión térmica nuclear ofrece considerables ganancias de eficiencia y tiempo. ^[10] La NASA cree que la eficiencia mucho mayor será dos o tres veces mayor que la de la propulsión química , ^[5] y el cohete térmico nuclear reducirá a la mitad el tiempo de viaje a Marte. ^[11]

Fondo

En mayo de 1946, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos lanzó el proyecto Energía Nuclear para la Propulsión de Aeronaves (NEPA, por sus siglas en inglés) para explorar el potencial de la energía nuclear para propulsar aeronaves. ^{[12] [13]} Esta iniciativa condujo a un esfuerzo colaborativo de la Fuerza Aérea y la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos (AEC, por sus siglas en inglés) conocido como el programa de Propulsión Nuclear de Aeronaves (ANP, por sus siglas en inglés), destinado a desarrollar sistemas de propulsión nuclear para vehículos aeroespaciales. ^{[12] [13]} El Programa ANP se canceló en marzo de 1961 después de invertir mil millones de dólares. ^{[12] [13]}

El uso de la energía nuclear para los viajes espaciales también ha sido objeto de debate entre los expertos de la industria desde la década de 1950. Freeman Dyson y Ted Taylor , a través de su participación en el Proyecto Orión , tenían como objetivo crear una demostración temprana de la tecnología. Finalmente, el proyecto recibió el respaldo de Wernher von Braun y llegó a la etapa de desarrollo de vuelo de prueba, pero el proyecto terminó antes de tiempo debido a preocupaciones ambientales. ^[14]

En 1955, la Fuerza Aérea se asoció con la AEC para desarrollar reactores para cohetes nucleares bajo el Proyecto Rover . ^[15] A mediados de 1958, la NASA reemplazó a la Fuerza Aérea ^[15] y construyó reactores Kiwi para probar los principios de los cohetes nucleares en un motor nuclear no volador. ^[16] Con la siguiente fase del Motor Nuclear para la Aplicación de Vehículos Cohetes ( NERVA ), la NASA y la AEC buscaron desarrollar un cohete térmico nuclear para "tanto misiones de largo alcance a Marte como una posible etapa superior para el Programa Apolo". ^[16] Debido a problemas de financiación, NERVA terminó en 1973 sin una prueba de vuelo. ^[16]

Nuevo programa

En 2020, las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina, a pedido de la NASA, convocaron un Comité ad hoc sobre Tecnologías de Propulsión Nuclear Espacial para identificar los principales desafíos y riesgos técnicos y programáticos para el desarrollo de tecnologías de propulsión nuclear espacial para su uso en la exploración futura del sistema solar. Con respecto a los sistemas de propulsión térmica nuclear (NTP), el comité identificó los siguientes desafíos tecnológicos: ^[17]

• Se necesita una alta densidad de potencia operativa y una alta temperatura del reactor para calentar el propulsor a aproximadamente 2700 K a la salida del reactor durante la duración de cada combustión.
• La necesidad de almacenamiento y gestión a largo plazo del propulsor criogénico de hidrógeno líquido ( LH2 ).
• Tiempos de arranque del reactor cortos (tan sólo 60 s desde cero hasta plena potencia) en comparación con otros reactores de potencia espaciales o terrestres.
• Manejo de los transitorios de arranque y parada prolongados de un sistema NTP en relación con los motores químicos. Esto impulsa el diseño de las turbobombas del motor y la gestión térmica del subsistema del reactor.

El comité también enfatizó la falta de instalaciones adecuadas para pruebas en tierra, señalando que "actualmente no hay instalaciones en los Estados Unidos que puedan realizar una prueba en tierra a máxima potencia de un reactor NTP a gran escala comparable a los experimentos Rover/NERVA". ^[17] Sin embargo, el informe del comité concluyó que "un programa agresivo podría desarrollar un sistema NTP capaz de ejecutar la misión de referencia [una misión tripulada a Marte durante la oposición ] en 2039". ^[17]

En abril de 2021, DARPA anunció el inicio de DRACO al otorgar contratos de Fase 1 de 18 meses a General Atomics para el diseño conceptual del reactor nuclear (22 millones de dólares) y a Blue Origin (2,5 millones de dólares) y Lockheed Martin (2,9 millones de dólares) para sus diseños conceptuales de sistemas operativos y de demostración en competencia. ^{[18] [19]}

En enero de 2023, la NASA y la DARPA anunciaron su colaboración en DRACO, dividiendo el programa de 499 millones de dólares entre ellas para las fases 2 y 3. ^{[6] [20]} La NASA será responsable del sistema de propulsión y del reactor nuclear, y la DARPA liderará los requisitos del vehículo y de integración, el concepto de operaciones de la misión, las aprobaciones regulatorias nucleares y la autoridad de lanzamiento. ^[6] La Fuerza Espacial de los EE. UU. planea lanzar DRACO en un Falcon 9 de SpaceX o en un Vulcan Centaur de United Launch Alliance. ^{[ cita requerida ]}

El 26 de julio de 2023, DARPA y la NASA anunciaron la adjudicación de un contrato a Lockheed Martin y BWX Advanced Technologies (BWXT) para las fases 2 y 3 de DRACO para diseñar, construir y demostrar el NTR experimental para el lanzamiento de 2027. ^{[20] [21]} BWXT está programado para diseñar y construir el reactor, fabricar el combustible y entregar el subsistema completo para su integración en el vehículo DRACO. ^[22]

Diseño

Las principales características de diseño de DRACO incluyen las siguientes: ^{[23] [24]}

• El motor de propulsión térmica nuclear (NTP) constará de un reactor de fisión que transfiere calor a un propulsor líquido, en este caso, hidrógeno líquido . Ese calor convertirá el hidrógeno en un gas que se expande a través de una tobera para proporcionar empuje.
• El combustible nuclear estará compuesto de uranio enriquecido , es decir, ²³⁸ U (el isótopo más común) junto con aproximadamente un 20% de ²³⁵ U, el isótopo fisible . Este nivel de enriquecimiento es algo superior al 3-5% habitual en los reactores de agua ligera de la Tierra, ^[25] pero inferior al enriquecimiento de aproximadamente el 90% característico del material apto para armas . La elección del enriquecimiento al 20% se hizo para aliviar los gastos generales programáticos y regulatorios. ^{[ cita requerida ]}

Según un memorando presidencial de 2019, ^[26] la aprobación para el lanzamiento de una nave espacial que utilice uranio con un enriquecimiento inferior al 20% (un vehículo llamado “Tier 2”) solo la requiere el jefe de la agencia patrocinadora (en este caso, el Secretario de Defensa), en lugar de la Casa Blanca. ^[27]

• El propulsor estará compuesto de hidrógeno líquido (LH2) almacenado en un tanque criogénico . El reactor calentará el hidrógeno en menos de un segundo desde una temperatura de aproximadamente 20 K (-420 F) a aproximadamente 2700 K. A modo de comparación, las temperaturas típicas del agua de un reactor de agua presurizada moderno rondan los 600 K. ^{[ cita requerida ]}
• El reactor estará integrado con un motor de cohete de ciclo expansor . En este diseño, una turbobomba dirige hidrógeno líquido a alta presión por dos caminos. El primero enfría la boquilla y el recipiente de presión del motor. El hidrógeno líquido en el segundo camino enfría primero los conjuntos de soporte del núcleo, luego impulsa el conjunto de la turbobomba, cuyo escape se dirige de regreso al recipiente de presión del reactor, donde absorbe energía de la reacción de fisión. Luego, el gas sobrecalentado se expande a través de la boquilla para proporcionar empuje. ^{[ cita requerida ]}
• Aunque no se han publicado los detalles del nivel de empuje de diseño, se dice ^[23] que el objetivo de diseño es un impulso específico de más de 800 segundos. (Este es el tiempo que el cohete puede acelerar su propia masa inicial a una gravedad constante de 1. ^[28] ) Esto representaría un aumento de unos 400 segundos en comparación con el impulso específico del RL10 , un motor de cohete criogénico de combustible líquido construido en los Estados Unidos por Aerojet Rocketdyne y que se utiliza para la etapa superior Centaur del Atlas V. [ ^{cita requerida ]}
• Actualmente no se sabe con certeza cuán difícil podría ser mantener el propulsor de hidrógeno en estado líquido durante largos períodos de tiempo, como sería necesario para los viajes a Marte. ^[29] La transferencia de propulsor criogénico líquido en el espacio aún no se ha demostrado, pero Lockheed Martin está desarrollando un vehículo de reabastecimiento de combustible para apoyar el módulo de aterrizaje lunar Blue Moon de Blue Origin , y se dice que hay discusiones en curso sobre la posibilidad de instalar un puerto de reabastecimiento de combustible en DRACO. ^[23]

Desarrollo y pruebas

La fase 2 del programa DRACO implicará una prueba del motor NTR sin combustible nuclear, mientras que la fase 3 incluirá el ensamblaje del NTR alimentado con combustible con la etapa, pruebas ambientales y el lanzamiento espacial para realizar experimentos en el NTR y su reactor. ^[30] El Departamento de Energía de los EE. UU. proporcionará metal HALEU a BWX Technologies para procesarlo en combustible poco enriquecido. ^[31] La cantidad de HALEU utilizada para el vehículo ha generado algunas preocupaciones de seguridad entre los expertos de la industria y la comunidad científica. ^[32]

En la Fase 2, el motor será evaluado en una prueba de flujo frío con una maqueta de motor no nuclear para evaluar la integridad mecánica del núcleo. Estas pruebas se llevaron a cabo durante el programa Rover/NERVA con el fin de estudiar formas de evitar que el núcleo se destruya por la presión y los altos caudales de masa debidos a la turbomaquinaria del motor. ^[33]

La fase 3 se ocupará de las pruebas de los entornos de lanzamiento y espacial, la integración del ensamblaje y las pruebas de la plataforma anfitriona, las pruebas de carga y el aprendizaje de cómo interactuar y comandar el motor antes de enviarlo al espacio. Durante la demostración de la fase 3, la nave espacial se lanzará a una órbita alta alrededor de la Tierra, entre 435 y 1.240 millas (700 a 2.000 kilómetros) sobre la superficie. ^[23] Una vez en el espacio, no está previsto activar el reactor de DRACO hasta que se establezca en una órbita segura. La altitud orbital mínima está determinada por el tiempo estimado que tardarían los productos de fisión en desintegrarse hasta el nivel de radiactividad presente en el lanzamiento. En el caso del reactor DRACO, eso es de unos 300 años, lo que requiere una órbita por encima de unos 700 km si se quiere que el tiempo de desintegración orbital supere ese valor. ^[23]

Según un cronograma que aparece en el documento de Estimación de Presupuesto para el año fiscal 2025 de la NASA presentado al Congreso, el proyecto apunta a comenzar la fase de implementación en septiembre de 2024. ^{[34] [ necesita actualización ]}

Referencias

1. "DARPA y la NASA eligen a Lockheed Martin para demostrar el cohete nuclear DRACO" Geekwire, 23 de julio de 2023.
2. Mike Wall (26 de julio de 2023). «La NASA y la DARPA lanzarán un cohete nuclear a la órbita a principios de 2026». Space.com . Consultado el 13 de abril de 2024 .
3. "Lockheed Martin seleccionada para desarrollar naves espaciales de propulsión nuclear". Medios - Lockheed Martin . Consultado el 13 de abril de 2024 .
4. "La NASA tiene la mira puesta en Marte con la ayuda de un motor de cohete nuclear". NBC News . 22 de mayo de 2023 . Consultado el 10 de mayo de 2024 .
5. Foust, Jeff (26 de julio de 2023). «La NASA y la DARPA seleccionan a Lockheed Martin para desarrollar la demostración de propulsión nuclear DRACO». SpaceNews . Consultado el 12 de mayo de 2024 .
6. «La NASA y la DARPA probarán un motor nuclear para futuras misiones a Marte». 24 de enero de 2023. Consultado el 22 de mayo de 2024 .
7. "BWXT comenzará a trabajar en un motor y combustible para cohetes nucleares cislunares". World Nuclear News . 26 de julio de 2023 . Consultado el 12 de mayo de 2024 .
8. Erwin, Sandra (31 de octubre de 2023). «La Fuerza Espacial asigna 21 misiones de seguridad nacional a ULA y SpaceX». SpaceNews . Consultado el 22 de mayo de 2024 .
9. "La NASA y la DARPA se asocian con la industria para desarrollar un motor de cohete para Marte". NASA . 26 de julio de 2023 . Consultado el 13 de abril de 2024 .
10. "(Nu)clear the Way: The Future of Nuclear Propulsion Is Here" (Abrir el camino nuclear: el futuro de la propulsión nuclear ya está aquí). Lockheed Martin . Consultado el 13 de abril de 2024 .
11. Chang, Kenneth (26 de julio de 2023). «La NASA busca un cohete de propulsión nuclear para llegar a Marte en la mitad del tiempo». The New York Times . ISSN  0362-4331 . Consultado el 10 de mayo de 2024 .
12. Waid, Jack (21 de junio de 2021). «Historia en dos: programa de aeronaves nucleares tripuladas». Comando de Material de la Fuerza Aérea . Consultado el 15 de mayo de 2024 .
13. McMillan, Tim (4 de octubre de 2023). "El laboratorio de investigación de la Fuerza Aérea da un gran salto hacia la nueva era espacial con planes para sistemas de naves espaciales de propulsión nuclear". thedebrief.org . Consultado el 15 de mayo de 2024 .
14. "Propulsión nuclear por pulsos: puerta de entrada a las estrellas". ans.org . Consultado el 13 de abril de 2024 .
15. Butz Jr., JS (1 de junio de 1961). "Rover: la vía nuclear al espacio". airandspaceforces.com . Consultado el 14 de mayo de 2024 .
16. «Cohetes nucleares». NASA . Consultado el 14 de mayo de 2024 .
17. Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina (2021). Propulsión nuclear espacial para la exploración humana de Marte (informe). Washington, DC: The National Academies Press. doi :10.17226/25977. ISBN 978-0-309-68480-4.{{cite report}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
18. Erwin, Sandra (12 de abril de 2021). «DARPA selecciona a Blue Origin y Lockheed Martin para desarrollar naves espaciales para demostración de propulsión nuclear». SpaceNews . Consultado el 2 de junio de 2024 .
19. "DARPA selecciona a los participantes para la fase 1 del programa de cohetes de demostración para operaciones ágiles cislunares (DRACO)". darpa.mil . 12 de abril de 2021 . Consultado el 3 de junio de 2024 .
20. Hitchens, Theresa (26 de julio de 2023). "DARPA y la NASA contratan a Lockheed Martin para diseñar y construir el cohete nuclear DRACO para misiones en el espacio profundo". Breaking Defense . Consultado el 9 de mayo de 2024 .
21. Davenport, Christian (27 de julio de 2023). «La NASA y el Pentágono adjudican un contrato para construir un motor de cohete de propulsión nuclear». Washington Post . ISSN  0190-8286 . Consultado el 10 de mayo de 2024 .
22. "BWXT proporcionará combustible y motor de reactor nuclear para el proyecto espacial DARPA". BWXT.com . BWX Technologies, Inc. 26 de julio de 2023 . Consultado el 10 de junio de 2024 .
23. Norris, Guy (14 de agosto de 2023), "Going Nuclear", Semana de la aviación y tecnología espacial
24. Krywko, Jacek (22 de julio de 2024). «Estamos construyendo naves espaciales nucleares de nuevo, esta vez de verdad». Ars Technica . Consultado el 23 de julio de 2024 .
25. Connolly, Thomas J. (1978). Fundamentos de la ingeniería nuclear . Nueva York: John Wiley & Sons. pág. 288. ISBN 9780471168584.
26. "Lanzamiento de naves espaciales que contienen sistemas nucleares espaciales" (Documento). Memorándum Presidencial de Seguridad Nacional-20. 20 de agosto de 2019.
27. Mccallum, Peter (6–9 de abril de 2020). Mejoras en el proceso de aprobación de lanzamientos nucleares y oportunidades para nuevas misiones (PDF) . Tecnologías nucleares y emergentes para el espacio 2020: Tema 3: Conceptos y políticas de misión para sistemas espaciales nucleares. Laboratorio Nacional de Oak Ridge.
28. Goodger, EM (1970). Principios de propulsión de vuelos espaciales. Elsevier. ISBN 9781483158600.
29. Celnikier, LM (1993). Fundamentos de los vuelos espaciales . Gif-sur-Yvette, Francia: Editions Frontieres. ISBN 9782863321317.
30. "Cohete de demostración para operaciones ágiles cislunares (DRACO)". darpa.mil . Consultado el 12 de mayo de 2024 .
31. "DARPA inicia el diseño y la fabricación del vehículo experimental NTR DRACO". darpa.mil . 26 de julio de 2023 . Consultado el 15 de mayo de 2024 .
32. Krywko, Jacek (10 de junio de 2024). «El cohete nuclear planeado por DARPA utilizaría suficiente combustible para construir una bomba». Ars Technica . Consultado el 16 de junio de 2024 .
33. "Llevando a DRACO al lanzamiento: una entrevista con Tabitha Dodson de DARPA". ans.org/news/ . 28 de julio de 2023 . Consultado el 28 de junio de 2024 .
34. "Estimaciones presupuestarias para el año fiscal 2025" (PDF) .

Enlaces externos

• Propulsión nuclear en el espacio: documental de la NASA sobre cohetes térmicos nucleares