Des scientifiques créent un moteur nucléaire à bulle centrifuge et présentent un projet à la NASA

Des Scientifiques Créent Un Moteur Nucléaire à Bulle Centrifuge Et

Des scientifiques américains ont développé un concept de bulle centrifuge à combustible liquide qui peut être appliqué aux moteurs-fusées à propulsion nucléaire thermique (NTP). Ils ont présenté le projet à la NASA lors d’un atelier hybride (en personne et à distance) qui s’est tenu ce mois-ci.

Dans le cadre d’un contrat de recherche NTP pour le bureau des projets de propulsion nucléaire spatiale du Marshall Space Flight Center (MSFC) de l’agence, l’Université de l’Alabama à Huntsville (UAH) dirige une collaboration d’universités à travers le pays pour exécuter le concept. . L’accord comprend l’Université de Rhode Island (URI), l’Université Drexel, le Massachusetts Institute of Technology (MIT), l’Université d’État de Pennsylvanie et l’Université du Michigan (UM).

La NASA veut externaliser la fabrication de fusees SLS pour

Une illustration montre la fusée SLS décollant de la rampe de lancement du Kennedy Space Center de la NASA en Floride. Un accord entre des universités américaines a présenté à la NASA le concept d’une bulle centrifuge pour moteurs nucléaires qui pourrait être utilisée dans de futures missions. Image : NASA/MSFC

D’après le site Physique, la NASA a fait des progrès substantiels vers un projet NTP de combustible solide. Le concept de bulle proposé par les contributeurs à cet accord est l’une des trois conceptions à base d’hydrogène pour une fusée NTP à carburant liquide de nouvelle génération.

Le concept NTP à bulle centrifuge chauffe le gaz propulseur hydrogène à des températures très élevées, mais sans combustion. L’hydrogène bouillonne à travers un noyau d’uranium liquide en rotation dans le moteur à travers une paroi de cylindre poreux, provoquant une expansion rapide du gaz. À sa sortie de la buse, l’hydrogène en expansion fournit une poussée au vaisseau spatial.

Selon Dale Thomas, docteur en ingénierie des systèmes à l’UAH et chercheur principal sur le concept, les avantages du projet incluent des performances nettement supérieures par rapport aux moteurs de fusée à carburant liquide conventionnels qui brûlent de l’hydrogène et de l’oxygène. « Dans la combustion conventionnelle des moteurs à carburant liquide, les molécules de propulseur résultantes sont beaucoup plus lourdes en raison de ces atomes d’oxygène relativement lourds, et ne sortiront pas aussi rapidement de la buse, fournissant plus de poussée mais moins de poussée. »

La poussée est la force fournie par le moteur, par exemple, pour soulever un vaisseau spatial sous la gravité terrestre, et la poussée est le changement d’élan par unité de carburant, et cela compte quand il s’agit de lancer un vaisseau spatial au bon endroit dans le ciel. espacer. Thomas a fait une comparaison avec une voiture. « Pensez à votre voiture. Considérez la poussée comme un couple et la poussée comme des miles par gallon de carburant. Les deux comptent ».

Il explique que des atomes d’hydrogène plus chauds et relativement plus légers permettront au vaisseau spatial d’aller plus loin. « Si nous chauffons le propulseur, il aura plus d’énergie et sortira plus rapidement de la tuyère, ce qui lui donnera plus de poussée. Comme il s’agit d’un moteur haute performance, il a le potentiel d’alimenter le vaisseau spatial sur des trajectoires autres que les trajectoires d’énergie minimale, offrant des options pour des trajectoires d’énergie plus élevée qui réduiront le temps de trajet vers et depuis Mars et d’autres destinations à travers le système solaire. « .

Selon Thomas, le moteur à bulles présente plusieurs défis techniques, notamment le développement d’un matériau pour la paroi poreuse du cylindre qui peut résister au contact direct avec le combustible d’uranium fondu. « Nous en sommes aux premiers stades », a déclaré le scientifique, expliquant que cette idée n’est pas nouvelle. «Ce concept de bulle existe depuis les années 1960. La physique est bien comprise, mais des défis techniques ont empêché ce concept de sortir de la planche à dessin dans le passé. Nous essayons de voir si les technologies actuelles nous permettront de développer un prototype de moteur NTP à carburant liquide viable. »

Quel est le rôle de chaque institution dans le projet ?

Le travail de l’UAH se concentre sur trois domaines. Le premier est la modélisation et l’analyse des transferts thermiques thermodynamiques de l’uranium liquide et de l’hydrogène gazeux. « Deuxièmement, nous modéliserons et analyserons la géométrie et la trajectoire des bulles d’hydrogène gazeux dans un milieu d’uranium liquide, et troisièmement, nous réaliserons des expérimentations pour confirmer les prédictions analytiques des modèles dynamiques et thermodynamiques », a révélé Thomas.

URI est en charge des projets de conception de haut niveau sur les systèmes d’entraînement des éléments combustibles centrifuges du moteur, y compris la façon de les faire monter à la vitesse de fonctionnement, de les maintenir à la vitesse de rotation souhaitée et de les réduire. Drexel développe les propriétés matérielles de la paroi du cylindre, tandis que le MIT étudie la dynamique des bulles. Enfin, le personnel de l’UM était chargé d’analyser expérimentalement la physique du réacteur, qui s’appelle neutron.

Des scientifiques creent un moteur nucleaire a bulle centrifuge et

Ben Campbell, étudiant à la maîtrise en ingénierie des systèmes aérospatiaux, travaillant sur le dispositif de rotation extrême entraîné par des expériences de liquide bouillonnant, ou BLENDER, au centre de recherche Johnso de l’UAH. Image : Michel Mercier | UAH

Au Johnson Research Center, les scientifiques de l’UAH construisent des appareils expérimentaux pour confirmer leurs prédictions analytiques du transfert de chaleur et de la dynamique des bulles. Il y en a deux jusqu’à présent, appelés Fourmilière et Expérience de liquide bouillonnant naviguant dans une rotation extrême entraînée, ou MÉLANGEUR. Les dispositifs utilisent des bulles d’air dans l’eau pour simuler des bulles d’hydrogène à travers le noyau du moteur.

La recherche sur les moteurs centrifuges NTP cadre bien avec d’autres recherches UAH que Thomas dirige pour la NASA afin de développer un vaisseau spatial conçu pour être utilisé avec des moteurs NTP à combustible solide. « Nous effectuons des études de mission, examinant ce que vous pouvez faire avec un système de propulsion NTP à combustible solide en plus d’une mission habitée vers Mars », dit-il. « Notre travail indique jusqu’à présent qu’il permettra des trajectoires directes pour des missions scientifiques sans pilote vers les planètes extérieures du système solaire, et peut-être même des retours d’échantillons des lunes joviennes. »

Sur une trajectoire rectiligne, un vaisseau spatial vole directement vers une destination. Les systèmes de propulsion chimiques actuels doivent avoir des alignements planétaires appropriés pour tirer parti de la gravité lorsqu’ils volent à travers les planètes. « Ces alignements planétaires ne se produisent qu’une fois toutes les quelques années », a expliqué Thomas. « Avec ce carburant liquide NTP, vous pouvez peut-être même vous rendre à la ceinture de Kuiper sur une trajectoire directe. »

Si cela était vraiment possible, ce serait tout un voyage, car la ceinture de Kuiper commence à 4,4 milliards de km du Soleil.

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