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 ロケットの表現 | |||||||||||
| 関数 | 宇宙船 | ||||||||||
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| メーカー | ロッキード・マーティン | ||||||||||
| 原産国 | アメリカ合衆国 | ||||||||||
| プロジェクト費用 | 4億9,900万ドル（第2フェーズおよび第3フェーズ）[1] | ||||||||||
| 発売履歴 | |||||||||||
| 状態 | 開発中 | ||||||||||
| 初飛行 | 2027年（予定）バルカン・ケンタウロス | ||||||||||
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DRACO（アジャイル地球周回軌道運用実証ロケット）は、ロッキード・マーティンがBWXテクノロジーズと提携して開発中の宇宙船で、 2027年に宇宙で実証される予定のDARPAプログラムの一環である。[2] [3]この実験機は再利用可能になる予定で、次世代の核熱推進技術と低濃縮ウラン[ 2] [3 ]を活用し、米国宇宙軍が打ち上げを行う。[5] 2023年、NASAはDARPAプログラムに参加し、火星などの深宇宙の目的地に宇宙飛行士の乗組員を運ぶ核熱ロケット（NTR）の開発に着手した。[6] DRACOは、NTRエンジンの世界初の軌道上実証となる。[7]報道によると、ペイロードとしてバルカン・ケンタウルスに搭載されて打ち上げられる予定。[8]
DRACOのDARPAプログラムマネージャーであるタビサ・ドッドソンは、「進化の限界に達した今日の化学システムとは異なり、核技術は核融合などのシステムやそれ以上のシステムに進化すると理論化されています。原子炉で操縦および駆動されるように進化した宇宙船は、人類がさらに遠くまで行くことを可能にし、あらゆるミッションタイプでより高い生存率と成功の可能性をもたらします。」と述べています。[9]
ロッキード・マーティンとBWXTによると、核熱推進によりかなりの効率と時間的メリットが得られるとのことだ。[10] [11] NASAは、その高い効率は化学推進の2～3倍になると考えている。[5]また、核熱ロケットは火星への旅の時間を半分に短縮するだろう。[12]
背景
1946年5月、アメリカ空軍は航空機の動力源として原子力エネルギーの可能性を探るため、航空機推進用原子力エネルギー（NEPA）プロジェクトを立ち上げた。 [13] [14]この取り組みは、航空宇宙機用の原子力推進システムの開発を目的とした航空機原子力推進（ANP）プログラムとして知られる空軍と米国原子力委員会（AEC）の共同作業につながった。 [13] [14] ANPプログラムは10億ドルを投資した後、1961年3月に中止された。[13] [14]
宇宙旅行に原子力エネルギーを使用することは、1950年代から業界の専門家の間でも議論されてきたと伝えられている。フリーマン・ダイソンとテッド・テイラーは、オリオン計画に参加することで、この技術の早期実証を目指した。最終的に、このプロジェクトはヴェルナー・フォン・ブラウンの支援を受け、開発の試験飛行段階に達したが、環境問題のためプロジェクトは早期に終了した。[15]
1955年、空軍はAECと提携し、ローバー計画の下で核ロケット用の原子炉を開発した。[16] 1958年半ば、NASAは空軍に代わって[16]、飛行しない核エンジンで核ロケットの原理をテストするためにキウイ原子炉を建設した。[17]次の段階のロケット車両応用のための核エンジン（NERVA）では、NASAとAECは「火星への長距離ミッションとアポロ計画の上段の可能性の両方」のための核熱ロケットの開発を目指した。[17]資金の問題により、NERVAは1973年に飛行テストを行わずに終了した。[17]
新しいプログラム
2020年、米国科学・工学・医学アカデミーはNASAの要請により、太陽系の将来の探査に使用するための宇宙核推進技術の開発における主要な技術的およびプログラム上の課題とリスクを特定するために、臨時の宇宙核推進技術委員会を招集した。核熱推進（NTP）システムに関しては、委員会は以下の技術的課題を特定した。[18]
- 各燃焼の期間中、原子炉出口で推進剤を約 2700 K まで加熱するには、原子炉の高い動作電力密度と温度が必要です。
- 極低温液体水素（ LH2 ）推進剤の長期保管と管理の必要性。
- 他の宇宙または地上の原子炉に比べて原子炉の起動時間が短い（ゼロからフルパワーまでわずか 60 秒）。
- 化学エンジンと比較した NTP システムの長い起動およびシャットダウン過渡現象への対処。これにより、エンジン ターボポンプの設計とリアクター サブシステムの熱管理が促進されます。
委員会はまた、地上試験施設の不足を強調し、「現在、米国にはローバー/NERVA実験に匹敵するフルスケールNTP原子炉のフルパワー地上試験を実施できる施設はない」と指摘した。[18]しかし、委員会の報告書は、「積極的なプログラムにより、2039年にベースラインミッション[衝期の火星への有人ミッション]を実行できるNTPシステムを開発できる可能性がある」と結論付けた。[18]
2021年4月、DARPAは、原子炉のコンセプト設計についてはジェネラル・アトミックス社（2,200万ドル）、競合する運用システムとデモンストレーションシステムのコンセプト設計についてはブルー・オリジン社（250万ドル）とロッキード・マーティン社（290万ドル）に18か月間のフェーズ1契約を授与し、DRACOの開始を発表しました。[19] [20]
2023年1月、NASAとDARPAはDRACOに関する協力を発表し、フェーズ2と3で4億9,900万ドルのプログラムを分割しました。[6] [21] NASAは推進システムと原子炉を担当し、DARPAは車両と統合要件、ミッション運用コンセプト、原子力規制承認、打ち上げ権限を主導します。[6]米宇宙軍は、DRACOをSpaceXのファルコン9またはユナイテッド・ローンチ・アライアンスのバルカン・ケンタウロスで打ち上げる予定です。[要出典]
2023年7月26日、DARPAとNASAは、 2027年の打ち上げに向けて実験用NTRの設計、構築、実証を行うDRACOフェーズ2および3の契約をロッキード・マーティンとBWXアドバンスト・テクノロジーズ（BWXT）に授与すると発表した。[21] [22] BWXTは原子炉の設計と構築、燃料の製造、DRACO車両への統合のための完全なサブシステムの納入を行う予定である。[23]
デザイン
DRACOの主な設計上の特徴は以下の通りである。[24] [25]
- 核熱推進（NTP）エンジンは、液体推進剤（この場合は液体水素）に熱を伝達する核分裂炉で構成されます。その熱によって水素がガスに変換され、ノズルを通って膨張して推力を生み出します。
- 核燃料は濃縮ウラン、すなわち238 U（最も一般的に存在する同位体）と約20％の核分裂性同位体235 Uから構成される。この濃縮レベルは、地球上の軽水炉で一般的な3～5％よりもいくらか高いが[26]、兵器級物質の約90％の濃縮特性よりも低い。20％の濃縮を選択したのは、プログラムと規制のオーバーヘッドを軽減するためである。[要出典]
2019年の大統領覚書によると、[27]濃縮度20％未満のウランを使用する宇宙船（いわゆる「Tier 2」機）の打ち上げの承認は、ホワイトハウスではなく、スポンサー機関の長（この場合は国防長官）のみによって行われる必要がある。[28]
- 推進剤は極低温タンクに貯蔵された液体水素 (LH2) です。水素は原子炉によって 1 秒以内に約 20K (-420F) から約 2,700 K まで加熱されます。比較すると、現代の加圧水型原子炉の典型的な水温は約 600 K です。[引用が必要]
- 原子炉は、膨張サイクルロケットエンジンと統合される。この設計では、ターボポンプが高圧液体水素を 2 つの経路に導く。最初の経路は、エンジンのノズルと圧力容器を冷却する。2 番目の経路の液体水素は、まずコア サポート アセンブリを冷却し、次にターボポンプ アセンブリを駆動する。ターボポンプ アセンブリからの排気は原子炉圧力容器に戻され、核分裂反応からエネルギーを吸収する。その後、過熱されたガスはノズルから膨張して推力を生み出す。[引用が必要]
- 設計推力レベルの詳細は公表されていないが、設計目標は比推力800秒以上と言われている[24] 。（これは、ロケットが自身の初期質量を一定の重力1で加速できる時間の長さである。 [29] ）これは、米国のエアロジェット・ロケットダイン社が製造し、アトラスVのセントー上段に使用されている液体燃料極低温ロケットエンジンRL10の比推力と比較して約400秒の増加となる。[要出典]
- 現時点では、火星旅行に必要な水素推進剤を長期間液体状態で維持することがどの程度難しいかは不明である。[30]宇宙での液体極低温推進剤の移送はまだ実証されていないが、ロッキード・マーティンはブルーオリジンのブルームーン月着陸船を支援するための燃料補給車両を開発しており、DRACOに燃料補給ポートを設置する可能性についての議論が進行中であると言われている。[24]
開発とテスト
DRACOプログラムのフェーズ2では、核燃料なしでNTRエンジンをテストし、フェーズ3では、燃料を積んだNTRをステージに組み立て、環境テストを行い、宇宙に打ち上げてNTRと原子炉の実験を行う。[31] 米国エネルギー省は、 BWXテクノロジーズにHALEU金属を提供し、低濃縮燃料に加工する。[32]車両に使用されるHALEUの量は、業界の専門家と科学界の間で安全性に関する懸念を引き起こしている。[33]
フェーズ2では、非核エンジンのモックアップを使用したコールドフローテストでエンジンのコアの機械的完全性を評価する。このようなテストは、エンジンのターボ機械による圧力と高質量流量によってコアが破壊されるのを防ぐ方法を研究するために、ローバー/NERVAプログラム中に実施された。[34]
フェーズ 3 では、打ち上げと宇宙環境のテスト、ホスト プラットフォームのアセンブリ統合とテスト、負荷テスト、および宇宙に送り出す前にエンジンをインターフェイスして制御する方法の学習に取り組みます。フェーズ 3 のデモンストレーションでは、宇宙船は地表から 435 ～ 1,240 マイル (700 ～ 2,000 キロメートル) 上空の地球周回高軌道に打ち上げられます。[24]宇宙に到達したら、DRACO の原子炉は安全な軌道に確立されるまで起動しない予定です。最小軌道高度は、核分裂生成物が打ち上げ時の放射能レベルまで崩壊するのにかかる推定時間によって決まります。DRACO 原子炉の場合、それは約 300 年であり、軌道崩壊時間がその値を超えるには、約 700 km 以上の軌道が必要です。[24]
NASAが議会に提出した2025年度予算見積書のタイムラインによると、このプロジェクトは2024年9月に実施段階を開始することを目指している。[35] [更新が必要]
参考文献
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- ^ 「2025年度予算の概算」（PDF）
外部リンク
- 宇宙における核推進 - NASA の核熱ロケットに関するドキュメンタリー
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