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| 本文作者： 付靜 | 2020-12-29 18:02 |
北京時(shí)間 2020 年 7 月 30 日 19 時(shí) 50 分，美國(guó)卡納維拉爾角空軍基地 41 號(hào)發(fā)射場(chǎng)，搭載著“毅力號(hào)”火星車(chē)的宇宙神 5 號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射升空。
按 NASA 的計(jì)劃，“毅力號(hào)”火星車(chē)將在大約 20 天后登陸火星，尋覓形成于 35 億年前的火星古代微生物生命跡象。
回顧 2020 年，對(duì)于 NASA 來(lái)說(shuō)，由核動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的“毅力號(hào)”火星車(chē)成功發(fā)射，絕對(duì)是一大歷史性航天事件。
而展望未來(lái)，NASA 對(duì)于火星的探索仍將繼續(xù)，新興的硬核技術(shù)也正在投資、催生當(dāng)中——NASA 宣布，將與商業(yè)公司共同研發(fā)核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，未來(lái)地球人研究甚至奔赴火星將會(huì)借助核的力量，而這一宏偉目標(biāo)會(huì)在 2035 年前實(shí)現(xiàn)。
建造核火箭的想法可追溯至 20 世紀(jì) 40 年代。
20 世紀(jì) 60 年代，NASA 和美國(guó)原子能委員會(huì)（即現(xiàn)在的美國(guó)能源部）開(kāi)始了對(duì)核火箭的研究。不久后，隸屬于美國(guó)能源部的洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室成功建造、測(cè)試了幾艘核火箭，這些火箭也為美國(guó)的核火箭設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
1972 年這一項(xiàng)目結(jié)束，但針對(duì)核火箭基本設(shè)計(jì)、材料和燃料的研究仍未停止。但不可否認(rèn)，目前的主流還是化學(xué)火箭——顧名思義，這類(lèi)火箭所利用的是化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)， 即一種利用推進(jìn)劑的化學(xué)能在燃燒室中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生高溫、高壓燃?xì)?，再產(chǎn)生反作用推力的裝置。
而核火箭的工作原理在于，利用核反應(yīng)或放射性物質(zhì)衰變釋放出的能量加熱工作介質(zhì)，工作介質(zhì)再通過(guò)噴管高速排出，從而產(chǎn)生推力，宇宙飛船得以高速飛行。
具體來(lái)講，核反應(yīng)釋放的能量可將液態(tài)氫加熱至 2430 攝氏度（核電站堆芯溫度的 8 倍），同時(shí)推進(jìn)劑會(huì)膨脹，并以驚人的速度噴射出來(lái)。
相比于化學(xué)火箭，核動(dòng)力火箭每單位質(zhì)量的推進(jìn)劑可產(chǎn)生兩倍推力，因此飛船將會(huì)大大提速，航行時(shí)間也更長(zhǎng)。不管是土衛(wèi)六還是冥王星，當(dāng)?shù)竭_(dá)目的地后，核反應(yīng)堆的角色將會(huì)從推進(jìn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)便為動(dòng)力源，保證航天器在長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的時(shí)間內(nèi)發(fā)回高質(zhì)量數(shù)據(jù)。
上述這一過(guò)程，有個(gè)官方的名稱(chēng)：「核熱推進(jìn)」（Nuclear Thermal Propulsion）。
2020 年 1 月 21 日，美國(guó)能源部核能辦公室在其官網(wǎng)對(duì)「核熱推進(jìn)」進(jìn)行了一次簡(jiǎn)單的 Q&A 科普。
根據(jù)介紹，「核熱推進(jìn)」有以下幾大特點(diǎn)：
比化學(xué)火箭更有效：核火箭的能量密度、效率都更高；
不會(huì)在地球上使用：其目的不是產(chǎn)生離開(kāi)地球表面所需的推力；
更具靈活性：可將前往火星的時(shí)間最多減少 25%；減少宇航員暴露在宇宙輻射下的時(shí)間；可使發(fā)射窗口期增長(zhǎng)；不依賴(lài)于軌道排列；必要時(shí)宇航員可中止任務(wù)并返回地球。
此外，還存在另外一種系統(tǒng)：「核電推進(jìn)」（Nuclear Electric Propulsion），其工作原理是利用大功率核裂變反應(yīng)堆發(fā)電，將核能轉(zhuǎn)為電能。據(jù)了解，核電推進(jìn)質(zhì)量效率相當(dāng)之高，約為核熱推進(jìn)的 3 倍。
這類(lèi)系統(tǒng)最為常見(jiàn)的例子包括我們熟知的采用核動(dòng)力設(shè)計(jì)的 NASA“好奇號(hào)”和“毅力號(hào)”火星車(chē)。就拿“毅力號(hào)”來(lái)講，其核動(dòng)力源「多任務(wù)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器 MMRTG」由美國(guó)能源部提供，主要是利用钚 238 原子核衰變釋放的熱量來(lái)產(chǎn)生 110 瓦的電能。
自然，核動(dòng)力有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，但也存在著不小的隱患，尤其是核輻射對(duì)航天員健康可能造成的威脅。
這里引用百度百科的一組數(shù)據(jù)：
核火箭/飛船內(nèi)的輻射量相當(dāng)于航天員每天做 8 次胸透，長(zhǎng)期的輻射會(huì)對(duì)航天員的身體造成嚴(yán)重傷害。航天員返回地面后，肌肉量一般會(huì)減少 30%，骨密度也會(huì)下降。
美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校航空航天工程科學(xué)專(zhuān)業(yè)教授 Iain Boyd 曾在一篇文章中寫(xiě)道：
1970 年代，美國(guó)法規(guī)要求所有核太空項(xiàng)目都要經(jīng)過(guò)多層政府機(jī)構(gòu)的審查和總統(tǒng)批準(zhǔn)，而核火箭研究的資金非常短缺，直至 2019 年 NASA 獲得了用于發(fā)展核熱推進(jìn)的 1 億美元研發(fā)費(fèi)用。
可以說(shuō)，為星際旅行開(kāi)發(fā)核動(dòng)力火箭前路漫漫，除了技術(shù)難題，成本也是一大挑戰(zhàn)。
盡管如此，在 NASA 看來(lái)，以核裂變或核聚變?yōu)閯?dòng)力的火箭仍是未來(lái)太陽(yáng)系旅行的首選方式。
IEEE Spectrum 雜志也曾這樣寫(xiě)道：
盡管在地球上，核反應(yīng)堆有著諸多爭(zhēng)議，但它產(chǎn)生的能量和推進(jìn)力足以讓大型宇宙飛船迅速到達(dá)火星，甚至是比火星更遠(yuǎn)的地方。
據(jù)了解，核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)只能用于星際旅行，不能在地球大氣層中使用。也就是說(shuō)， 化學(xué)能燃料火箭先將飛船發(fā)射、助推出近地軌道，接著核推進(jìn)系統(tǒng)才會(huì)啟動(dòng)。
為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)出安全、輕便的核發(fā)動(dòng)機(jī)，而設(shè)計(jì)新燃料和反應(yīng)堆似乎可以勝任這項(xiàng)任務(wù)，畢竟核發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)燃料的要求是：必須要承受超高的溫度和核熱機(jī)內(nèi)部的不穩(wěn)定因素。
就像 NASA 空間技術(shù)任務(wù)理事會(huì)首席工程師 Jeff Sheehy 所說(shuō)：
如果想要盡快奔赴火星并返回，核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)可以派上用場(chǎng)，而需要改進(jìn)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是燃料。
為此，NASA 正在與商業(yè)公司合作，為未來(lái)可能的核動(dòng)力載人太空任務(wù)做努力。目前已有兩家公司表示，他們的燃料對(duì)于一個(gè)安全、高性能的反應(yīng)堆來(lái)說(shuō)足夠靠譜。甚至于其中一家公司已經(jīng)向 NASA 提交了詳細(xì)的計(jì)劃書(shū)。
這兩家公司，一是總部位于西雅圖的超安全核技術(shù)公司（Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies，USNC-Tech），二是總部位于弗吉尼亞州林奇堡的 BWX 技術(shù)公司。
一般來(lái)講，火箭要想有足夠的推力，需要武器級(jí)別的高濃縮鈾——雖然商業(yè)發(fā)電廠的低濃縮鈾燃料使用起來(lái)會(huì)更安全，但在酷熱的溫度下，在極具活性的氫的化學(xué)攻擊下，它們會(huì)變得脆弱并分解。不過(guò)，USNC-Tech 使用的鈾燃料濃度低于 20%，含有分散在碳化鋯基體中的微小陶瓷涂層鈾燃料顆粒，通過(guò)放射性裂變熱量逸出。
USNC-Tech 工程總監(jiān) Michael Eades 表示，這一濃度比動(dòng)力反應(yīng)堆的濃度高，但不能用于一些邪惡目的，因此極大地降低了核擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。
另一家 BWX 技術(shù)公司也在研究類(lèi)似的陶瓷復(fù)合燃料的設(shè)計(jì)方案，此外還在研究一種封裝在金屬基體中的替代燃料形式。BWX 公司先進(jìn)技術(shù)部門(mén)總經(jīng)理 Joe Miller 表示，自 2017 年以來(lái)，該公司就已開(kāi)始研究反應(yīng)堆設(shè)計(jì)。
與此同時(shí)，作為美國(guó)能源部的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室也在進(jìn)行嘗試，他們提出了一個(gè)名為「直接聚變驅(qū)動(dòng)」（Direct Fusion Drive）的概念。
實(shí)際上，主流的核聚變使用的是氚燃料，但普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室正在努力制造一種依賴(lài)于在高溫等離子體中氘原子和氦-3 之間的聚變反應(yīng)堆，這種聚變產(chǎn)生的中子很少，可以將聚變等離子體加熱到攝氏 100 萬(wàn)度。簡(jiǎn)單來(lái)講，相比傳統(tǒng)的聚變，這種方式需要的燃料更少，而且設(shè)備也只有傳統(tǒng)聚變的千分之一大。
普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家 Samuel Cohen 表示：
通往小型、安全的核動(dòng)力火箭，核聚變反應(yīng)堆是另一條路。我們不喜歡中子，它們就像是把鋼鐵等結(jié)構(gòu)變成了具有放射性的奶酪。
理論上講，聚變推進(jìn)的性能遠(yuǎn)超過(guò)裂變推進(jìn)，因?yàn)榫圩兎磻?yīng)釋放的能量高達(dá)核聚變的 4 倍。然而這一技術(shù)還不成熟，還面臨著幾大挑戰(zhàn)，包括生成等離子體、將釋放的能量轉(zhuǎn)化為直接噴射廢氣等等。Jeff Sheehy 表示：
在 21 世紀(jì) 30 年代末之前，這項(xiàng)技術(shù)不可能用于火星任務(wù)。
不過(guò) NASA 及合作伙伴也在一點(diǎn)點(diǎn)趕進(jìn)度，比如 USNC-Tech 已經(jīng)基于其新燃料制造了小型硬件原型。USNC-Tech 官方表示，趕在 2027 年之前，將會(huì)有一個(gè)演示系統(tǒng)發(fā)射，隨后將建立一個(gè)全面的火星飛行系統(tǒng)，更好地推動(dòng) 2035 年的火星任務(wù)。
核火箭未來(lái)將如何發(fā)展，我們拭目以待。
引用來(lái)源：
https://www.energy.gov/ne/articles/6-things-you-should-know-about-nuclear-thermal-propulsion
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