Nuclear electric propulsion in the future of space exploration

In this thesis, a preliminary analysis of NEP is performed. Propulsive technology nowadays is near saturation. Solar panels are trying to grasp inches of efficiency. Moreover, those tend to generate a massive quantity of system-level requirements. Chemical propulsion is already able to release most of its chemical energy in no time. Thus, a new technology is needed, and the high energetic concentration of nuclear fuel is very promising. Therefore, there is room in the propulsive panorama for a NEP intended as a nuclear reactor-electric propulsion couple. To do so, the main objective has been to gain information about powers that both the reactor and thruster have to withstand, specific impulse, and initial thrust over mass ratio of the system. After an analysis of the state of the art, it has been found that the problem is to extract this energy. It also has shown the potential and the room occupied by the other competitive technologies in the panorama. Those are solar panel sources, chemical propulsion and NTP. A qualitative treatment of DFD (Direct fusion drive) has been done, presenting it as the promising future revolution for space propulsion. Moreover, another task has been to define the context in which this thruster has to be used. An ESA document has helped to define the future panorama of space exploration. Six missions aiming at GEO orbit, L1 Lagrangian point, the Moon, Mars and Ceres have been analyzed. The trajectories have been simulated in full continuous thrust equations. The guidance is not optimal but uses energetic consideration to be near it. From those simulations, data regarding mass ratios, time of flight and specific power needs have been retrieved. Also with the usage of power balances. As a result of this work, and after an analysis with the competitors, the objective has been reached. It results that NEP systems, to be competitive, need to manage powers of hundreds of kWe, variable specific impulses from 2000 to 6000 s and initial thrust over mass ratio of about 0.001 m/s^2.

In questa tesi si intende trattare, mediante un'analisi preliminare, la NEP. Il panorama tecnologico propulsivo di oggi sta tendendo al suo limite. I pannelli solari cercano di migliorare la loro efficienza, quando allo stesso tempo causano un'enorme quantità di limitazioni al livello di sistema. I propulsori chimici sono già in grado di rilasciare l'interezza dell'energia in essi contenuta istantaneamente. E dunque necessario affacciarsi a nuove opzioni tecnologiche e l'elevatissima energia specifica del combustibile nucleare promette molto. Perciò è chiaro che ci sia spazio per la NEP intesa come reattore-propulsore elettrico nel panorama propulsivo. Per fare ciò l'obbiettivo principale è quello di ottenere informazioni riguardanti potenze gestite da reattore e propulsore, impulsi specifici e rapporti spinta su massa iniziali. Dopo che è stata svolta un'analisi sullo stato dell'arte, è divenuto subito chiaro che il problema è l'estrazione di questa energia. Inoltre è stato possibile individuare lo spazio nel panorama propulsivo già occupato delle tecnologie concorrenti quali pannelli solari, propulsori chimici e NTP. Qualitamente, è stata svolta una trattazione della DFD , presentata come una tecnologia che promette di rivoluzionare la propulsione . Per poter mostrare la convenienza della NEP è stato inoltre necessario definire il contesto nella quale essa dovrà operare. Sono state dunque scelte sei missioni, proposte da un documento ESA, che definiscono il panorama futuro dell'esplorazione spaziale e hanno come obbiettivo l'orbita GEO, il punto Lagrangiano L1, la Luna, Marte e Cerere. L'analisi di queste missioni è stata svolta mediante equazioni del moto con spinta continua. La navigazione non è ottimale, ma usa principi energetici per allontanarsi molto. Queste simulazioni sono servite per ottenere dati riguardant rapporti di massa, potenze specifiche e tempi di volo, anche mediante il supporto di bilanci di potenze. Come risultato di questo lavoro e di uno studio sui concorrenti, è stato possibile elaborare una risposta all'obbiettivo. Risulta che NEP, per essere competitiva, deve essere in grado di gestire potenze dell'ordine delle centinaia di kWe, impulsi specifici variabili tra 2000 e 6000 s e un rapporto spinta su massa iniziale di allincirca 0.001 m/s^2