XE-PRIME
Testat incepand cu 4 Decembrie 1968, si continuand pana pe 11 Septembrie 1969, XE-PRIME a fost ultimul model de motor testat la NERVA, reusind 24 de aprinderi. Cu o putere de 1140 MWth, presiune in camera de ardere de 3861 kPa si temperatura de 2272 K, motorul reprezenta prima instanta in care promisiunile motoarelor nucleare erau indeplinite. El era construit pe calapodul unui miez A5.
Prototipul a fost folosit pentru un program de teste care a durat un an, avand 8 obiective principale si 58 de obiective secundare. Din brevitate, nu le vom enumera pe toate, doar vom spune ca, spre deosebire de celelalte prototipuri, acesta nu era un stand de testari.
El era similar cu modelele A3, A5 si A6 anterioare, dar spre deosebire de ele, componentele erau adunate la un loc si conectate intr-o configuratie de zbor. Modelele anterioare, spre exemplu, foloseau o linie de hidrogen lichid separata, parte a facilitatilor de testare. O similaritate mult mai mare era cu EST. La fel ca si acel reactor, XE-PRIME avea un sistem de „hot bleed” (in traducere aproximativa „purjare fierbinte”) care actiona turbopompa. Masa de reactie era, evident, tot hidrogen lichid.
In arhitectura ei adanc cuplata, XE-PRIME era practic format din doua componente majore (putem spune ca era modular). Primul dintre aceste module era cel inferior, care continea vasul de presiune, miezul, duza, elementele structurale inferioare, scutul de radiatie extern, actuatoarele tamburilor si instrumentatia aferenta. Al doilea era modului superior, alcatuit din structura cu zabrele de sustinere, liniile de alimentare, valvele, ansamblul turbopompei si instrumentatia de masura. Motivul pentru aceasta arhitectura era pentru a permite reparatii rapide. Astfel, in cazul in care modulul superior suferea o defectiune majora la una dintre componentele sale, el putea fi demontat si inlocuit de la distanta.Intr-adevar, toate liniile de alimentare cu hidrogen si curent electric care treceau din modulul superior in cel inferior puteau fi actionate electronic.
Tranzitia de la motor la standul de teste se facea printr-un sistem structural special, denumit adaptorul de stand de teste (Test Stand Adaptor). La fel ca si standul de teste in sine, el fusese construit repede, din elemente nefolosite la alte teste. Acest sistem continea conectarile dezactivabile de la distanta, precum si cablurile de date si comanda care conectau motorul cu centrele de control. De asemenea, continea si valva de oprire principala si instrumentarul ei.
La cei 1140 MWth ai sai, motorul avea tractiunea de 246663 N, la temperatura de 2272 K, presiunea de 3861 kPa si cu debitul de 31,8 kg/sec prin duza, respectiv 35.8 kg/sec total. Astfel, 0.4536 kg/sec erau deviati si folosit pentru antrenarea turbopompei si racirea sistemului. Masa motorului era de 18144 kg, si intreg sistemul era lung de 6.9 m , cu un diametru de 2.59 m (incluzand duza de evacuare).
Aceasta duza era de forma convergent-divergenta, cu un unghi de convergenta de 45 de grade, divergenta de 17.5 grade, si raport de expansiune de 10:1. Ea era compusa dintr-un manunchi de tuburi de otel inoxidabil care se sprijineau de o fusta din acelasi material. Tuburile erau inserate in canale special realizate in fusta. Hidrogenul deviat de la duza interioara patrundea printr-o intrare anulara si era folosit pentru a raci un circuit separat menit a deservi piroanele ce atasau vasul de duza, continuand apoi catre turbopompa. Intrarea acestui hidrogen era printr-o valva de purjare fierbinte, la fel ca la EST, situata in sectiunea convergenta.
Sistemul de control al XE-PRIME putea folosi o serie de moduri de control automat, precum si un numar de moduri de control manual. Scopul acestor multiple moduri era de a obtine date pentru o modelare mai buna a unor eventuale motoare viitoare (un reactor spatial nu ar fi folosit atatea moduri). Tamburii reglau puterea motorului, in timp ce un sistem denumit TPCV (abreviat de la Turbine Power Control Valve, in traducere Valva de Control a Turbinei) regla fluxul de gaze catre turbopompa.Teoretic, cele doua erau independente, cu scopul de a obtine conditiile de presiune si temperatura dorite. Insa, exitau interactiuni la nivel de reactivitate si activitate neutronica ce le faceau interdependente. Modul automat regla aceste interactiuni pentru a obtine parametrii dorit. Modul manual era gandit sa obtina deviatii de la acesti parametrii pentru a studia comportamentul sistemului in diferite situatii ipotetice.
Trebuie sa spunem si cateva cuvinte despre standul de teste. Demunit ETS-1 („Experimental Test Stand”, in traducere stand de teste experimental), el era de fapt aceeasi Maria cu alta palarie. Adica, el era un stand contruit pe locul Test Cell C, prin adaugarea unui sistem de racire de dimensiuni mari si a unei structuri de separare atmosferica. Si a insemna aproape jumatate din bugetul ramas NERVA. Standul si cladirea erau construite din aluminiu pur, care era transparent la radiatie neutronica (minimizand astfel radioactivarea). De asemenea, era prevazut un sistem de racire cu apa. Radiatia, in general, strica structuri complexe, cum ar fi aranjamentele cristaline, proteinele sau alte tipuri de materiale organice. Ca atare, orice garnitura trebuia realizata din metal (in general tot alumniu), fiindca o garnitura de cauciuc s-ar fi transformat repede intr-o masa amorfa de polimeri topiti.
De asmenea, au existat probleme la tevile de evacuare, care trebuiau sa suporte temperaturi ridicate pentru o perioada mai lunga de timp decat la un test de motor chimic. Munca de constructie a acestora a implicat 54 de tone de otel, 3.9 tone de sarma de sudura si 10.5 km de linii de sudura. In total, cele 234 de tevi trebuiau sa transport 11.000 de tone de apa de racire in timpul unui test. Lucrarile au fost realizate de catre Allegheny Technologies si Air Preheater Company. Spre deosebire de toate celelalte teste de NTR-uri, XE-PRIME era orientat in jos, ca la o lansare. Structura de separare atmosferica permitea folosirea unei presiuni scazute pentru test, din nou pentru a imita conditiile de functionare reale. Era insa, imposibila obtinerea unui vid, asadar, presiunea folosita era de 6.9 kPa, echivalentul presiunii atmosferice la altitudinea de 18288 metrii.
Am spus mai devreme ca programul de teste a insemna 24 de aprinderi. Acestea nu sunt, insa, toate testele. In fapt, s-au realizat 40 de teste in total, multe fiind fara aprindere. Dintre cele 24 de aprinderi, 15 erau porniri din niste conditii initiale pre-stabilite sau au folosit logica de control noua fata de testele anterioare. Primul test la putere maxima s-a desfasurat pe 11 Iunie 1969, si a durat 3.5 minute. Dupa fiecare test, motorul era racit fortat, insa sistemul folosea hidrogen in loc de azot (o nava spatiala nu poate cara o rezerva suplimentara de lichid doar pt racire).
Nu ne vom apleca asupra fiecarui test in parte, caci rapoartele sunt pline de detalii tehnice lungi si amanuntite. Vom mentiona numai ca testele au fost organizate in cadrul a 10 planuri de testare si vom prezenta rezultatele experimentelor:
- motorul a fost pornit cu succes de 24 de ori, 15 din conditii initiale prestabilite sau folosind circuite logice utilizate in premiera;
- testele de aprindere au aratat ca caracteristicile de pornire autonoma raman controlabile pe o plaja de temperaturi ale camerei de evacuare foarte mare. In 15 dintre teste, timpul de la prima mutare a TPCV pana la presiune maxima a fost de 12 secunde, +/- 1.7 . 13 dintre acestea au avut timpi de 11-12 secunde, chiar si la diferente de temperatura a camerei de 278 K intre doua teste;
- pornirile autonome erau posibile pe o plaja de valori de la +11 la -8.5 grade de rotatie a tamburilor;
- rezultatele testelor au aratat ca sistemul automat putea identifica cu succes unghiul de rotatie al tamburilor pentru care se atingea criticalitatea;
- s-a reusit pornirea motorului cu o presiune de intrare de numai 159 kPa;
- s-a descoperit ca la temperaturi mari, efectul de reflectare a beriliului era neglijabil;
- s-au folosit 7 moduri de control automate dependente de temperatura a reactorului, camerei, presiune in camera, pozitia TCPV, nivelul de putere s.a. In fiecare dintre aceste moduri, sistemul de control era suficient de precis si puternic cat sa asigure conditiile pre-programate. In timpul planului 9, in special, s-a demonstrat ca reactorul putea repeta o serie de schimbari de parametrii pre-programata chiar si atunci cand conditiile de pornire erau mult diferite;
- rezultatele au indicat ca putea fi definita o procedura care sa permita obtinerea unui timp de pornire constant si repetabil, prin preconditionarea motorului (mai pe romaneste, motorul era usor de aprins si cu caracteristici repetabile de pornire daca inainte de a fi aprins era tinut intr-o anumita conditie; acea conditie a fost determinata experimental si retinuta, importanta sa fiind ca necesita doar pornirea turbopompei pentru aprinderea reactorului, fara schimbarea pozitiei tamburilor);
- unul dintre teste a intalnit o serie de varfuri de putere si tranzienti potential problematici pentru o misiune spatiala. Astfel, operativ, s-a decis ca daca un asemenea motor ar fi suferit un SCRAM pe orbita, debitul de hidrogen lichid trebuia oprit repede dupa stingere, pentru a nu permite reaprinderea din efectul de moderare. De asemenea, cand se initia aprinderea iar hidrogenul patrundea intr-un reactor rece, trebuiau urmate anumite restrictii pentru a se asigura ca motorul nu se auto-inabusea;
- variatii in presiunea din camera de evacuare indicau ca designul controllerului de oprire nu era suficient optimizat (mai exact, TCPV-ul actiona prea rapid);
- la testele de flux la rece, s-a dovedit ca asimetriile de presiune si temperatura erau mai mari folosind hidrogen lichid decat hidrogen gazos;
- rezervele de masa de reactie puteau fi realimentate chiar si in timpul functionarii reactorului, cu efecte foarte mici asupra motorului;
- aductiunea aerodinamica a standului de teste a functionat dupa previziuni, fara urme de efecte nedorite (ex: rezonante acustice), chiar si la conditii de operare nefavorabile.
Examinarile post-teste asupra elementelor de combustibil au dovedit ca performanta a fost in general buna, cu pierderi moderate de masa, densitati de microcavitati reduse, coroziune usoara, fara elemente sudate si putina fragilizare prin coroziune.
Pierderile de masa si coroziunile in zonele fierbinti au fost usor peste asteptari, cu densitatea microcavitatilor si coroziunile de canal ceva mai ridicate in elementele Y-12. Coroziunea era predominant de tip inelar, cu unele zone indicand efecte legate de testarile la putere mica si de ciclii numerosi de oprire-pornire. De asemenea, unele elemente prezentau usoare urme care indicau, in premiera, stricaciuni provate de hidroliza, datorate timpului lung de functionare. In plus, s-au observat usoare coroziuni cu tipar striat pe unele elemente periferice. Fisuri de dimensiuni reduse s-au manifestat numai pe elementele periferice, si s-a determinat ca unele dintre ele se datorau proximitatii de alte elemente, generand efecte hidrodinamice turbulente.
Camera de control NERVA, facilitatea 40 de la Jackass Flats, un buncar subteran
Diagrama schematica a XE-PRIME (cu detalii extrem de proaste)
Ansamblul duzei de evacuare a motorului XE-PRIME
XE-PRIME, orientata in jos, pe standul de teste
XE-PRIME, in E-MAD, in urma unui test
Sfarsitul?…
Oricum am privi lucrurile, programele NERVA si Rover au fost un succes. Nu doar ca au demonstrat fezabilitatea acestor sisteme, dar au si obtinut in final un motor perfect functional. In 1970, NASA, dupa terminarea analizei asupra XE-PRIME, l-a declarat utilizabil in misiuni (si atat dupa acest moment, cat si inainte, s-au creeat cateva arhitecturi de misiuni si vehicule care urmau sa utilizeze motorul). Pariul AEC ca vor reusi sa construiasca un motor functional din scurt a dat roade.
In schimb, pariul ca NASA va putea face programe ambitioase in continuare nu a avut la fel de mult noroc. Dimpotriva, dupa succesul Apollo, NASA si-a vazut bugetul injumatatit in numai cativa ani. NERVA era, teoretic. sub egida comuna a AEC, dar chiar si asa, programul s-a gasit in situatia de a oferi ceva (un sistem de propulsie) pe care nu si-l dorea nimeni. In retrospectiva, pare evident ca eforturile LASL si SNPO erau sortite esecului, dar, daca citim marturiile si citatiile primite de directorii si inginerii programului, vedem ca ei nu priveau lucrurile astfel. NERVA era „motorul martian” menit sa deschida sistemul solar. Dupa Apollo, cum se putea ca NASA sa renunte la ambitii? Ei bine, asa s-a intamplat, din mai multe motive: desi publicul a adorat memoria lui Kennedy (in jurul caruia s-a creeat o intreaga mitologie) si gloria primilor pasi pe Luna, adevarul este ca oamenii au memoria scurta. Ei, deja uitand sperieturile provocate de sovietici (care, in acel moment, erau vizibil in urma, si pe punctul de a renunta), si-au pierdut repede interesul in favoarea unor subiecte mai „normale” (Vietnam, miscarea sindicalista, sumedenia de schimbari de garda aduse de alegerile congresionale din acei ani, etc). In plus, deja ajunsese la urechile publicului cum ca programul dusese la emanatii de material radioactiv (ceea ce era adevarat, dar mult mai benign si decat cel mai mic test de arma atomica). Asadar, curentul de scepticism era ridicat, mai ales ca aceasta perioada de timp nu era caracterizata de mari populizatori ai stiintei (Von Braum intrand intr-un con de umbra, iar Sagan nefiind, inca, o personalitate importanta).
Richard Nixon ajunge presedinte in 1969, dupa o lunga perioada dificila din punct de vedere politic (8 ani de pribegie in urma pierderii alegerilor din 1960 in fata defunctului Kennedy). Dupa 8 ani de control democrat, partidul republican simtea nevoia sa-si puna amprenta din nou pe politica americana. Desi multi dintre senatori si deputati nu erau neaparat impotriva tehnologiei (in fapt, Congresul acestei perioade era, in unele privinte, chiar mai prietenos decat cel precedent, speriat de costul Apollo) pur si simplu nu exista bugetul necesar pentru noi proiecte fara a renunta la cele vechi. Ca atare, Nixon a inchis definitiv linia de productie a Saturn V, facand ca misiunile bazate pe acel sistem (inclusiv cele nucleare) sa moara. In acelasi timp, a introdus un proiect pentru o nava spatiala reutilizabila cu capacitatea de a ateriza pe un aeroport ca un avion normal, si care, in timp, s-a transformat in naveta spatiala americana. Contomitent, programul NERVA a fost pus in conservare, iar Rover a primit un buget extrem de mult redus.
Chiar si asa, SNPO a dispus realizarea NF-1 folosind acel buget redus. Planul era ca elementele de combustibil sa fie cercetate si perfectionate (cum nu se reusise la timp in cadrul PEWEE si NERVA) in vederea constructiei unei trepte superioare cu propulsie nucleara care sa incapa in cala de transport a viitoarei navete. Din pacate, naveta intarzia (pentru ca, desi NASA a primit misiunea de a o realiza, nu a primit si bugetul necesar, fiind astfel fortata sa coopteze ajutorul USAF, ducand la schimbarile de design, care au transformat-o intr-un megaproiect tehnologic impresionant, dar cu utilitate scazuta), iar Nixon, spre deosebire de Kennedy si Johnson, era dispus sa asculte de organele consultative de stat care cereau anularea sa (cum ar fi Oficiul de Management al Bugetului, care nu era, in general, in favoarea explorarii spatiale).
Dupa un an de functionare minimala, Nixon a incercat (din nou) sa opreasca proiectele definitiv. A esuat multumita unui ultim efort din partea lui Clinton P. Anderson, si chiar a pierdut sprijinul congresului pentru unul dintre proiectele sale noi (avionul supersonic Boeing 2707). Insa doar a fost o amanare. Anderson era in varsta, si nu mai beneficia de acelasi sprijin politic, iar cu un public sceptic, democratii nu se mai puteau orienta catre spatiu in aceeasi masura. Ca atare, in 1972, programul Rover a fost oprit iar NERVA definantata. Specialistii au fost redistribuiti laboratoarelor, iar facilitatile abandonate.
Exista voci care spun ca, de fapt, multi oameni importanti nu au dorit succesul programului. La urma urmei, era potential periculos sa se reaprinda imaginatia publicului, lucru oricand posibil daca NASA decidea o publice o arhitectura de misiune mai aventuroasa. De asemenea, s-a spus ca Nixon a dorit sa stearga cu buretele memoria omului care i-a provocat lunga perioada de pribegie politica (lucru de care ma indoiesc; ei erau mai prietenosi unul cu altul decat se crede). Realitatea, cred eu, este ca, pur si simplu lumea nu era pregatita. Dupa cum s-a vazut in articolele domnului Marius B. noi nu stiam nici pe departe destule despre Marte cat sa incercam o misiune. D-abia in 1978 au venit primele date concrete despre ea (si care s-au dovedit diferite de ceea ce se presupunea pana in acel moment, necesitand abandonarea multor arhitecturi precedente). Iar motoarele NERVA si PEWEE, desi superioare propulsiei chimice, erau inca neoptimizate. Cunostiintele nucleare avansasera, (si mai tarziu cu popularizarea computerelor, au explodat) dar in acel moment nu permiteau teribil de multe. In plus, construit sub imperiul necesitatii de a castiga cursa spatiala, Rover a fost marcat de o usoara tendinta de a incerca sa construiasca motoare relativ nefinisate pe banda rulanta, fapt ce le-au afectat bugetul si reputatia, oferind munitie opozantilor.
Dar acesta nu a fost sfarsitul rachetelor nucleo-termice cu miez solid. Nicidecum, dimpotriva, conceptul pare ca are tendinta sa iasa la suprafata din nou la o anumita perioada de timp, cu concepte noi dar principii similare. Rover si NERVA nu au reusit sa construiasca ceva care sa zboare, dar au reusit sa creeze si sa documenteze in detaliu un intreg domeniu, sadind semintele unor incercari viitoare de reinviere. Mentionam aici lucrarile din anii 80-90 pentru Timberwind, SNRE si MITEE, precum si lucrarile actuale legate de BWRT. De asemenea, motoarele acestea au fost concepute ca fiind parte a unor evolutii iterative, de la un miez solid la unul lichid, si, in final, unul gazos. Acestea au continuat ca si studii dupa oprirea programelor pana in anii 80-90. Nu in ultimul rand, ele au reaparut, spre surprinderea multora, in anii 80 in URSS. Aparent, sovieticii construisera pe NV, in secret, un motor NTR.
Toate acestea vor fi discutate si povestite in articole viitoare. Insa, spre deosebire de cele de pana acum, ele vor fi mult mai succinte, din simplul motiv ca majoritatea nu au fost testate. Ele erau motoare de hartie, la fel ca si conceptele de misiuni bazate pe ele. In seria urmatoare, insa, voi trece in revista cateva arhitecturi de misiune bazate pe NERVA si Rover. Ele nu vor fi foarte detaliate, planificatorii nereusind sa le descrie profund pana la finalizarea programelor. Chiar si asa, perspectivele foarte bune oferite de aceste motoare (enorm de multa putere, viata lunga, independenta de masa de reactie, robustete) au ramas tentante pana in ziua de astazi.
Sfârșit
Marian Dumitriu (Checkmate)
Surse:
1. Jungmin Kang, Frank N. von Hippel – U-232 and the Proliferation Resistance of U-233 in Spent Fuel, Science & Global Security, Volume 9 pp 1-32, 2001
2. http://nuclearweaponarchive.org/Nwfaq/Nfaq6.html#nfaq6.2
3. https://science.sciencemag.org/content/160/3831/953
4. https://www.osti.gov/servlets/purl/1132518
5. TRW Space Technology Laboratories – Mission oriented advanced nuclear system parameters study, 1965
6. https://www.osti.gov/servlets/purl/4098602
7. Bussard report, 1953
8. W.H. Robbins, H.B. Finger – An Historical Perspective of the NERVA Nuclear Rocket Engine Technology Program, 1991
9. James A Dewar – To the end of the solar system : the story of the nuclear rocket, 2015
10. Solid Core NTR ( https://beyondnerva.com/nuclear-thermal-propulsion/solid-core-ntr/ )
11. NTR Hot Fire Testing Part I: Rover and NERVA Testing ( https://beyondnerva.com/2018/06/18/ntr-hot-fire-testing-part-i-rover-and-nerva-testing/ )
12. http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist2.php#id–Nuclear_Thermal
13. David S. Portee – Think Big: A 1970 Flight Schedule for NASA’s 1969 Integrated Program Plan ( https://spaceflighthistory.blogspot.com/2016/01/thinking-big-traffic-model-for-nasa.html )
14. David S. Portee blog ( http://spaceflighthistory.blogspot.com/2016/02 )
15. Scott Lowther Nerva articles ( http://www.aerospaceprojectsreview.com/blog/?s=nerva&searchsubmit= )
16. Nuclear weapon design ( https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_weapon_design )