载荷增加三倍，前往火星时间缩短四分之一，火箭为何不用核动力？

发布者：知足者常乐 2023-7-14 22:30

美国宇航局将完成火星探索寄希望于核动力火箭，也就是应用核热推进系统将宇航员送入太空，与当今的顶级火箭技术相比，核动力可以显著缩短飞行时间并携带更大的有效载荷，从而为人类探索太空提供更好的支持和保障。

核动力火箭概念

核动力火箭依靠核反应产生的热量飞行，而核反应产生的热量取代了化学火箭中推进剂的化学能。在核热推进系统中，液态氢在核反应堆中被加热到高温，然后通过火箭喷嘴膨胀以产生推力。考虑到外部核热源理论，预计其有效载荷能力将增加一倍或三倍。

最早的核动力火箭地面测试发生在1955年，并持续到了1973年，之后由于各种原因，包括专注于航天飞机的开发而暂停。尽管如此，美国仍然已经建造并测试了十多个不同功率输出的反应堆，但截至2023年，还没有核热火箭成功升空。

早期的时候，核动力推进的所有应用都依赖于裂变过程，但2010年代的研究已转向聚变方法，普林斯顿等离子体物理实验室的直接聚变驱动项目就是这样的一个例子。尽管在实际操作上仍有难度，但是美国已经批准了1.25亿美元的研发资金用于研究新技术。

这种火箭的主要应用领域是火星探索，因为对于太空飞行来说，人类最需要克服的一个问题就是飞行时间，而缩减飞行时间可以有效降低宇航员暴露在太空辐射中的风险。减少运输时间是人类完成火星任务的一个关键指标，因为更长的旅行需要更多的补给和更强大的保护系统。

核热推进系统的优势

核动力火箭内部的工作原理是核热推进系统，火箭中的裂变反应堆会产生热量以使液体推进剂膨胀，液体推进剂接着会从喷嘴喷出以推动航天器。其能量密度比常见化学火箭更高，效率则是化学火箭的两倍。

工程师将这种性能衡量为比冲量，即从特定量的推进剂中可以获得的推力。之所以有着更高的效率，是因为较轻的气体更容易加速。当化学火箭燃烧时，它们会产生水蒸气，这是一种比核热推进系统中使用的氢气重得多的副产品。

水蒸气会拉低化学火箭的效率，而用了核动力的火箭则可以以更少的燃料行驶更远的距离。需要注意的是，核热系统并不是在地面上开始使用的，该系统的设计目的不是产生离开地球表面所需的推力，而是为深空任务提供更大的灵活性。

核热推进系统可以将前往火星的旅行时间缩短高达四分之一，更重要的是，可以限制机组人员接触宇宙辐射的机会。它还可以实现更广泛的发射窗口，不依赖于轨道对准，并允许宇航员在必要时中止任务并返回地球。

核动力火箭为何迟迟不成功？

与大多数新技术和新能源一样，成功与否都关乎着风险和成本的问题。如果核动力更便宜，或者风险更低，而且风险更低的同时成本没有显着增加，这种方案就会被选择，否则就会是一个很难做的决定。

核动力火箭的推进系统其实与地面发电厂有些相似，也就是说，首先裂变反应堆为电动推进器发电，该能量使气体推进剂中的离子带正电，然后电场、磁场或静电场加速离子，最后加速的离子通过推进器被推出，推进航天器。

在核热推进系统中，反应堆更像是一个热交换器，其中液态氢等燃料会被加热到非常高的温度，高达2500摄氏度。这涉及到一个概念，即运载火箭需要遵循脉冲守恒定律，火箭的速度取决于推进剂的质量和速度。

简单来说就是，如果我们想让火箭使用较少的推进剂就能达到更高的速度，那么其周围温度也势必会更高，问题是没有材料可以承受如此高的热量。除非材料科学有重大突破，否则运载火箭使用核热发动机的优势就无法战胜其劣势。

关于使用核动力，还有一些其他的考量，比如放射性尘埃是否会污染太空，再比如如果发射失败，那么地球上的人类也许会受到核动力的辐射影响。这并不是一个空穴来风的猜想，即使是普通火箭也经常会爆炸，因为火箭应力会将材料和设计推向极限。

当核反应堆很有可能发生爆炸时，当然没有人希望它们到处乱飞，因为核污染很可能会影响大范围。这被称为“脱落”，脱落是因为反应物质在通过固体核心的核热推进系统时，会在非常高的温度下变得具有侵蚀性，这会导致反应堆堆芯材料的一小部分随着废气排出。