Propulsion Nucléaire Thermique (NTP) : Une technologie de croissance prouvée pour les missions d'exploration humaine des NEO/Mars

La fusée nucléaire thermique (NTR) représente la prochaine "étape évolutive" dans la propulsion de fusées à haute performance. Contrairement aux fusées chimiques conventionnelles qui produisent leur énergie par combustion, la NTR tire son énergie de la fission des atomes d'Uranium-235 contenus dans les éléments combustibles qui composent le cœur du réacteur du moteur. Utilisant un cycle "expanseur" pour l'alimentation des turbopompes, le propulseur d'hydrogène est porté à haute pression et pompé à travers des canaux de refroidissement dans les éléments combustibles où il est surchauffé puis étendu par une buse supersonique pour générer une poussée élevée. En utilisant l'hydrogène à la fois pour le refroidissement du réacteur et comme propulseur, la NTR peut atteindre des valeurs d'impulsion spécifique (I sp ) d'environ 900 secondes (s) ou plus - deux fois celle des meilleures fusées chimiques d'aujourd'hui. De 1955 à 1972, vingt réacteurs de fusée ont été conçus, construits et testés au sol dans les programmes Rover et NERVA (Moteur Nucléaire pour Applications de Véhicules de Fusée). Ces programmes ont démontré : (1) des combustibles nucléaires à base de carbure à haute température ; (2) un large éventail de niveaux de poussée ; (3) un fonctionnement soutenu du moteur ; (4) une durée de vie accumulée à pleine puissance ; et (5) une capacité de redémarrage - toutes les exigences nécessaires pour une mission humaine sur Mars. Un combustible en "cermet" métallique céramique a également été exploré comme option de secours. La NTR a également une capacité significative d'"évolution et de croissance". Configuré comme un système "bimodal", il peut générer sa propre énergie électrique pour soutenir les besoins opérationnels des engins spatiaux. L'ajout d'une buse "après-brûleur" à oxygène introduit une capacité de poussée variable et d'I sp et permet une opération à bipropulseur. Dans l'étude récente de NASA sur l'Architecture de Référence de Conception pour Mars (DRA) 5.0, la NTR a été sélectionnée comme option de propulsion préférée en raison de sa technologie prouvée, de sa performance supérieure, de sa masse de lancement plus faible, de son design de véhicule polyvalent, de sa fabrication simple et de son potentiel de croissance. Contrairement à d'autres options de propulsion avancées, aucune grande montée en échelle technologique n'est nécessaire pour le NTP non plus. En fait, le plus petit moteur testé lors du programme Rover - le moteur "Pewee" de 25,000 lb f (25 klb f) est suffisant lorsqu'il est utilisé dans un agencement de moteurs groupés. Le design du vaisseau spatial habité "Copernicus" développé dans le DRA 5.0 a une capacité significative et une stratégie d'exploration humaine est esquissée ici, utilisant Copernicus et ses composants clés pour des missions orbitales d'objets proches de la Terre (NEO) et de Mars avant une mission d'atterrissage sur Mars. Cet article discute également des activités actuelles de la NASA et de ses plans futurs pour le développement du NTP qui incluent des démonstrations technologiques au niveau système - spécifiquement le test au sol d'une NTR petite et évolutive d'ici 2020, avec un test en vol peu après.