开启核动力火箭学术资讯 - 科技工作者之家

来源：国家空间科学中心

在美国宇航局和马斯克的“火星梦”驱使下，长距离载人航天计划开启了。但令人惊讶的是，人类现在所使用的火箭不比之前的“前辈们”快多少。核动力火箭便是诸多改良方案中的一个，它们比起传统化学燃料火箭或者太阳能电动火箭都有着无可媲美的优势。不过由于种种原因，在过去的40年里，只有8个美国航天器中携带了核电池。然而，去年部分修改了核动力航天器的管制后，核动力火箭重新成为了新一代火箭的热门研究方向。

艺术家想象的核动力飞船

Credit: NASA

越快越好

太空旅行的第一步便是利用火箭将航天器送入轨道，在摆脱地心引力时火箭会消耗掉大量的燃料。在可预见的未来这种机制仍将发挥主导作用。
真正有趣的部分从航天器进入外太空的一刻开始。如果想向更深的宇宙进发，飞船需要再进行一次加速来彻底摆脱地球的引力。这也是核动力推进器的用武之地。如果宇航员的目标比月球甚至火星更远，那么飞船就需要达到一个匪夷所思的速度。宇宙是“荒芜”的，任何物体之间的距离都是遥远的。这时，更快的火箭就意味着安全和效率。
在去往火星的旅程中，宇航员会暴露在高能宇宙射线下，并引发癌症等疾病。尽管飞船可以屏蔽大部分的辐射，但长时间的旅程所需的保护措施将会成为沉重的负担。因此最简单有效的办法就是快点完成这段路程。
不止是安全，效率在探索宇宙的过程中也很重要。即使是各大航天局发射的无人探测器也需要很长的时间抵达目的地。比如，旅行者2号用了12年才抵达海王星。如果这些探测器搭载了更强大的推进器，那么天文学家们就能提前好几年收到数据并开启相应的研究。

credit:NASA

为什么用核能？

在摆脱地球的引力后，推进系统的好坏将会从三个方面来判断：· 推力 – 系统能将飞船加速到多快· 质量效率 – 单位质量燃料所能产生的推力· 能量密度 – 每单位燃料能够产生的能量
现今，推进系统大多由化学燃料和太阳能所提供的电能驱动。
尽管化学燃料能够提供较大的推力，但是化学火箭本身却并不高效，且化学燃料的能量密度并不高。土星5号火箭携带了95万加仑的燃料(360万升)，能够产生3500万牛的推力。但其中相当大一部分的能量仅仅是为了将燃料本身带到轨道上。
电能推进则是利用了太阳能提供的电能。最普遍的方法是利用电场来加速离子，再利用排出离子的反作用力驱动火箭，例如霍尔推进器。这种推进器大多用于驱动人造卫星，它比传统化学火箭的质量效率高5倍，不过它们所能提供的动力也只有3牛。这种推进器在理想环境下把一辆汽车从静止加速到60英里每时需要两个半小时。况且在飞船离太阳远去的过程中，所能提供的能源会急剧下降。
与这两种方案相比，核动力飞船的能量密度就有着质的飞跃。核反应堆里的铀燃料比化学火箭常用的肼要高效400万倍。使火箭可以携带极少的铀燃料便能达到和数百万升化学燃料相同的效果。

土星五号火箭高达110米，其中大部分载重和空间都被燃料占据。

Credit：Mike Jetzer/heroicrelics.org

如何实现？

工程师们针对核动力太空旅行有两个主要的研究方向。
第一个是热核推进。这种系统功能强大并且有着还不错的效率。它的原理是利用小型的核裂变反应堆——与核潜艇使用的核反应堆类似——来加热气体，比如氢气，并利用气体在快速膨胀时从喷口喷射的反作用力来驱动火箭。根据NASA工程师的估算，使用这种推进方式前往火星将会缩短20%到25%的旅行时间。
热核推进的效率是传统化学火箭的两倍，也就是同样质量的燃料能够产生两倍的推力。并且推力高达10万牛。将这些力用于驱动静止的小汽车的话，汽车将在四分之一秒内到达60英里每小时的速度。
第二种方法则是核电动推进。迄今为止，世界上还没有一个成功的核电动推进系统实物。其原理是利用一个高能的裂变反应堆来发电，然后用电能来驱动类似霍尔推进器的电动系统。这种系统的效率将是热核推进系统的三倍。而且由于反应堆能够产生大量的电力，一个反应堆就能同时给数个电动推进器提供能源。

霍尔推进器

credit：Phys.org

针对热核推进系统的研究自上世纪60年代就已经开始了，但从未实践过。从70年代起，美国核动力推进器的研究就被严格管制，需要多个国家航天局层层审批以及总统的命令才能付诸实验。再加上该项目未能收到投资资金，核动力推进器未能实现。
2019年8月，特朗普政府签署的总统备忘录打破了这一僵局。在保证安全的情况下，新的政策允许少量核项目跳过多国机构审核这一步骤，只需通过担保机构例如NASA的认证。而大型的核项目则保持原先的政策。
除了管制上的放开， NASA还获得了一亿美金的资金来开发热核推进系统。在经历了60年的蛰伏后，核动力火箭终于看到了上天的希望。这或许意味着远距离太空航行的新时代。

美国宇航局新一代SLS发射系统示意图Credit：NASA

来源：nssc1958 国家空间科学中心

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