プロジェクト・ティンバーウィンド

ティンバーウィンド計画は、核熱ロケット開発プロジェクトでした。 1987年から1991年にかけて、戦略防衛構想（SDI）による初期資金は1億3900万ドル（当時）でした。[ 1 ]提案されたロケットは、後に空軍宇宙核熱推進（SNTP）プログラムに移管され、より大規模な設計へと拡張されました。

このプログラムは、スティーブン・アフターグッドが提起したセキュリティ上の懸念により、1992年に監査を受けました。[ 1 ]この極秘プログラムは、FAS政府秘密プロジェクト開始の動機となりました。有罪判決を受けたスパイ、スチュワート・ノゼットがTIMBER WINDプロジェクトのマスターアクセスリストに登録されていたことが判明しました。[ 2 ]

高温金属、コンピュータモデリング、そして原子力工学全般の進歩により、性能は劇的に向上しました。NERVAエンジンの重量は約6,803kgと計画されていましたが、最終的なSNTPエンジンはわずか1,650kg（質量は4分の1未満）のエンジンで推力は3分の1強となり、比推力は930秒から1,000秒へとさらに向上しました。

歴史

1983年、戦略防衛構想（「スターウォーズ」）は、化学ロケットよりも強力なロケットの恩恵を受けられるミッションと、より強力なロケットでしか実行できないミッションを特定した。[ 3 ] 1983年2月、100kWの原子力ロケットシステムの開発を目的とした原子力推進プロジェクトSP-100が立ち上げられた。このコンセプトには、ブルックヘブン国立研究所のジェームズ・R・パウエルが開発した粒子/ペブルベッド原子炉が組み込まれており、最大1,000秒（9.8 km/s）の比推力と、89,000ニュートン（20,000 lbf）を超える推力レベルで25～35の推力重量比が期待されていた。[ 4 ]

1987年から1991年にかけて、このプロジェクトは「プロジェクト・ティンバーウィンド」というコードネームの秘密プロジェクトとして資金提供され、1億3900万ドルが費やされた。[ 5 ]このロケット計画案は、1991年10月に空軍フィリップス研究所の宇宙核熱推進（SNTP）プログラムに移管された。 [ 6 ] NASAは1992年の宇宙探査イニシアチブ（SEI） の一環として研究を行ったが、SNTPはNERVAに比べて十分な改善がなく、SEIのミッションには必要とされないと判断した。SNTPプログラムは2億ドルが費やされた後、1994年1月に終了した。 [ 4 ] [ 7 ] [ 8 ]

Timberwind の仕様

Timberwind Centaur の Timberwind 45

  • 直径: 13.94フィート (4.25 m)、長さ: [ 9 ] 23.87 m
  • エンジン数：1
  • 真空推力：99208 lbf（441.3 kN）
  • 海面推力: 88305 lbf (392.8 kN)
  • 真空比推力: 1000秒
  • 海面比推力: 890秒
  • エンジン質量: 3300ポンド (1500 kg)
  • 推力重量比: 30
  • 燃焼時間: 449秒
  • 推進剤: 核/LH 2

Timberwind Titan の Timberwind 75

  • ステージ直径：6.1メートル（20フィート） 長さ：45.50メートル[ 10 ]
  • 直径: 5.67 フィート (2.03 メートル)
  • エンジン数：3 [ 10 ]
  • エンジン:
    • 真空推力：165347 lbf（735.5 kN）
    • 海面推力: 147160 lbf (654.6 kN)
    • 真空比推力: 1000秒
    • 海面比推力: 890秒
    • エンジン質量: 5500ポンド (2500 kg)
    • 推力重量比: 30
  • 燃焼時間: 357秒
  • 推進剤: 核/LH 2

ティンバーウィンド250ステージとエンジン

  • 直径：28.50フィート（8.70メートル）。長さ：30.00メートル[ 11 ]
  • エンジン数：1
    • 真空推力：551,142 lbf（2,451.6 kN）。
    • 海面推力: 429,902 lbf (1,912.0 kN)
    • 真空比推力：1,000秒。
    • 海面比推力：780秒。
    • エンジン質量: 8,300 kg (18,200 ポンド)。
    • 推力重量比: 30
  • 燃焼時間: 493秒
  • 推進剤: 核/LH 2

宇宙核熱推進プログラム

SNTPエンジン
ベースライン燃料粒子
典型的な原子炉アセンブリ
グラファイトタービンホイール
一体型CC圧力容器とノズル
PBR上段アプリケーション
PBR設計方法論[ 12 ]

TIMBER WIND計画とは対照的に、宇宙核熱推進（SNTP）計画は、大気圏内で運用されない宇宙輸送用上段ロケットの開発を目的としていました。SNTPは核熱上段ロケットの飛行試験という目標を達成できず、1994年1月に終了しました。[ 13 ]この計画は、国防総省、エネルギー省、そして全米各地の運用施設におけるそれぞれの請負業者間の調整作業で構成されていました。この計画の大きな成果は、2つの候補地における地上試験のための環境保護庁（EPA）の承認を得たことです。[ 14 ]

参加機関または協力機関[ 14 ]
名前 位置 責任
ブルックヘブン国立研究所ニューヨーク州アプトン 原子炉材料および部品の試験、熱流動および中性子解析、原子炉設計研究[ 12 ]
バブコック・アンド・ウィルコックスバージニア州リンチバーグ 原子炉の設計、試験、製造、組立
サンディア国立研究所ニューメキシコ州アルバカーキ 原子力安全、原子力計装と運転、原子炉制御システムのモデリング、原子力実験
エアロジェット推進部門カリフォルニア州サクラメント 燃料要素代替材料の開発
ヘラクレス・エアロスペース・コーポレーションユタ州マグナ エンジン下部構造およびノズルの設計と製作
ギャレット流体システム部門アリゾナ州テンピとアリゾナ州サンタン 姿勢制御システム、推進剤流量制御システム、ターボポンプアセンブリの設計と製造
AiResearch 連合国信号局ロサンゼルス部門カリフォルニア州トーランス タービンホイールのテスト
グラマン宇宙電子部門ニューヨーク州ベスページ 車両の設計・製造、システム統合
レイセオンサービスネバダネバダ州ラスベガス 施設および冷却剤供給システム（CSS）エンジニアリング、施設建設管理
レイノルズ電気工学会社 ネバダ州ラスベガス 施設建設
フルオルダニエル カリフォルニア州アーバイン 排水処理システム（ETS）エンジニアリング
サンディア国立研究所サドルマウンテン試験場またはQUESTまたはLOFTサイト 試験場の準備、エンジン地上試験の計画と実施、核コンポーネント試験
[編集済み] ワシントンD.C. プログラム管理
米国エネルギー省本部 ワシントンD.C. プログラム管理、原子力安全保証
エネルギー省ネバダ試験場ネバダ州ラスベガス 地上試験
米国エネルギー省アイダホ国立工学研究所アイダホ州アイダホフォールズ 地上試験
アメリカ空軍フィリップス研究所ニューメキシコ州アルバカーキ プログラム管理
アメリカ陸軍工兵隊アラバマ州ハンツビル ETSエンジニアリングマネジメント
ロスアラモス国立研究所ニューメキシコ州ロスアラモス 燃料および材料試験
マーシャル宇宙飛行センター（NASA） アラバマ州ハンツビル 材料およびコンポーネントのシミュレーション/テスト
西部試験場/西部宇宙ミサイルセンター（アメリカ空軍）カリフォルニア州ヴァンデンバーグ空軍基地 プログラムレビュー
アーノルドエンジニアリング開発センターテネシー州マンチェスター 水素フロー試験
UNC製造会社 コネチカット州アンキャスビル 材料製造
グラマンコーポレーション– カルバートン施設 ニューヨーク州ロングアイランド 水素テスト

計画されていた地上試験施設は、1992年に完成するまでに4億ドルの追加資金がかかると見積もられました。[ 15 ] 3年から4年の間に50件未満の小規模試験が計画され、その後、2000MWエンジンの1000秒間の実物大試験を5回から25回実施できるように施設​​を拡張しました。[ 14 ]

当初、PIPET（粒子床反応器統合性能要素試験装置）は、PBR燃料および燃料要素の試験と認定のための、小規模で低コストなSNTP固有の実験施設として構想されていました。しかし、DOE（米国エネルギー省）およびNASA（米国航空宇宙局）といった他機関からの要請を受け、NTP燃料、燃料要素、およびエンジンのための国立試験施設が設立されました。しかし、その規模はSNTPプログラムがこのような大規模な建設プロジェクトに必要な資金を確保する能力を超えてしまいました。SNTPプログラムには施設の規模拡大が求められ、SNTPプログラムの経営陣は国防総省、DOE、NASAの3機関からの支援と資金の調整に努めましたが、国立地上試験施設への十分な資金援助は得られませんでした。

— SNTP最終報告書[ 13 ]

このプログラムは、高強度繊維の開発や炭素繊維複合材用の炭化物コーティングなどの技術的成果も挙げている。タービン入口温度を最大化し、重量を最小化するために、ホットセクションの設計はすべて炭素繊維を使用するように進化した。炭素繊維は他の候補材料に比べて核発熱がはるかに低いため、熱応力も最小化される。提案されている粒子床反応器（PBR）駆動エンジン内の腐食性の高温水素環境での使用を目的に、2D極性強化織物を採用したプロトタイプのタービン部品が製造された。[ 13 ]粒子床反応器のコンセプトでは、ペイロード、電子機器、機体構造だけでなく、極低温推進剤の許容できない沸騰を防ぐためにも、強力な放射線遮蔽が必要であった。ガンマ線を減衰させ、熱中性子を吸収するタングステンと、高速中性子と熱中性子の散乱断面積が大きいリチウム水素化物で作られた推進剤冷却複合シールドは、従来の水素化ホウ素アルミニウムチタン（BATH）シールドに比べて低質量で優れた性能を発揮することがわかりました。 [ 16 ]

サンディア国立研究所は、SNTP核熱推進コンセプトで使用するための被覆粒子燃料の認定を担当していました。[ 15 ]

ブリードサイクルとエキスパンダーサイクルのSNTP比較
プロ 欠点
出血サイクル
  1. システムの複雑さが最も低い
  2. 最小限の原子炉内部配管とマニホールド
  3. 原子炉とプラント周辺装置（BOP）の開発は分離されている
  4. 高速起動を簡単に実現
高温タービンと供給ラインの開発が必要
部分流量膨張サイクル
  1. 最先端のタービン技術を活用できる
  2. より高いI sp（約0.5％）
  1. 原子炉とBOPの結合開発はプログラム上のリスクを増大させる
  2. タービンを駆動するためのエネルギーを供給するための専用燃料要素は独特な設計であり、追加の開発が必要である。

参考文献

  1. ^ a bリーバーマン、ロバート（1992年12月）。「TIMBER WIND特別アクセスプログラム監査報告書」（PDF）。国防総省。2012年5月20日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。 2012年7月28日閲覧。
  2. ^ Aftergood, Steven (2009年10月). 「Nozette and Nuclear Rocketry」 . アメリカ科学者連盟. 2012年5月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年7月28日閲覧。
  3. ^ハスレット 1995、3-1ページ。
  4. ^ a bハスレット、1995 年、1-1、2-1-2-5 ページ。
  5. ^リーバーマン 1992、3～4頁。
  6. ^ハスレット 1995、2-4ページ。
  7. ^ミラー, トーマス・J.; ベネット, ゲイリー・L. (1993). 「宇宙探査のための原子力推進」. Acta Astronautica . 30 : 143–149 . Bibcode : 1993AcAau..30..143M . doi : 10.1016/0094-5765(93)90106-7 . ISSN 0094-5765 . 
  8. ^ハスレット 1995、3-7ページ。
  9. ^ティンバーウィンド・ケンタウロス
  10. ^ a bティンバーウィン・タイタン
  11. ^ティンバーウィンドロケット
  12. ^ a b Ludewig, H. (1996). 「宇宙核熱推進プログラムのための粒子ベッド炉の設計」.原子力エネルギーの進歩. 30 (1): 1– 65. Bibcode : 1996PNuE...30....1L . doi : 10.1016/0149-1970(95)00080-4 .
  13. ^ a b c Haslett, RA (1995).宇宙核熱推進プログラム最終報告書（報告書）. 2013年4月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年7月28日閲覧。
  14. ^ a b c「宇宙核熱推進（SNTP）プログラムの最終環境影響評価書（EIS）」米国国防技術情報センター、1991年9月。2016年3月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年8月7日閲覧。
  15. ^ a bキングズベリー、ナンシー（1992年10月）。「宇宙核推進：歴史、コスト、プログラムの現状」（PDF）。米国会計検査院。2014年9月23日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。 2012年8月4日閲覧。
  16. ^ Gruneisen, SJ (1991).粒子床推進システムの遮蔽要件.特別報告書(報告書). Bibcode : 1991phil.rept.....G . 2013年4月8日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年8月19日閲覧。
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