核动力火箭将在 20 年内问世,推进效率是现有火箭两倍,或可帮助人类探索宇宙深空
本文来自微信公众号:SF 中文 (ID:kexuejiaodian),作者:SF
目前,人类涉足的太空还仅仅局限在地球附近。制约人类探索太空的主要因素就是航天器。现有的航天器要在载荷量和动力之间做出权衡:如果想要装载更多的乘员和货物,那就要牺牲动力,减少燃料的装载;如果想要装载更多燃料,那势必会影响载荷量。几十年来,科学家一直在想办法在航天器的载荷量和动力之间实现"收益最大化"。一些航天机构和科学家把目光投向了核动力。
文 | 梅林
核动力,顾名思义就是以核能作为动力来源。人类对核能的利用最早可以追溯至第二次世界大战前夕。时至今日,核动力船只、核电站甚至核武器,尽管争议不断,但核能俨然成为未来人类最有使用前景的能源之一。
目前,人类利用核能提供动力,最成功的实例就是核动力航母,其技术已经相当成熟。要想解决航天器的动力和载荷量矛盾的问题,可能也要依靠核动力。
NERVA:半路夭折的核动力火箭先驱
早在 1952 年,美国的洛斯阿拉莫斯实验室就开始研发核动力火箭。1964 年,美国航空航天局(NASA)开始与洛斯阿拉莫斯实验室合作,将洛斯阿拉莫斯实验室研发的核动力火箭应用于 NASA 的核动力空间试验机(RIFT:Reactor-In-Flight-Test ),并完成了 RIFT 的首次试飞。
当时的"太空竞赛"和 RIFT 的试验成功,促进了美国航天核推进局(SNPO)的建立。在 SNPO 的主持下,洛斯阿拉莫斯实验室开始研发和制造火箭飞行器用核引擎(Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application,缩写为 NERVA),有两家私营公司也参与了研发工作。经过分析和论证,研发团队从众多方案中选择了基于 KIWI 发动机的方案,造出了 NERVA NRX 和 NERVA XE 两台核动力火箭发动机。
这两台核动力火箭发动机仅在实验室中完成了测试,科学家根据测试数据断定,这种核动力火箭发动机适用于太空飞行,推进效率是传统火箭发动机的 2 倍。不过,由于耗资巨大,研发 NERVA 的项目最终被美国政府取消,这两款 NERVA 发动机从没有真正完成过太空飞行任务。
核动力火箭再次柳暗花明
尽管核动力火箭的项目被取消,但是对于该领域的研究并没有就此中断。可是,在核动力火箭领域,几十年来似乎并没有什么突破性进展。NERVA 仍是人类目前唯一制造出的核动力火箭发动机。
近期,情况似乎有了新的变化。NASA、美国国防部高级研究计划局(DARPA)计划研发可以前往火星的核动力火箭发动机,这个项目被命名为"敏捷地月行动演示火箭"(DRACO)项目。根据计划,最早 2027 年,美国将在太空测试一枚核动力火箭。而到了 21 世纪 30 年代末或 40 年代初,NASA 将利用由核动力火箭推进的航天器,将宇航员送上火星。
DRACO 项目是在 2021 年启动的,今年 NASA 加入了这个项目,美国的洛克希德・马丁公司(Lockheed Martin)和其他参与该项目的私营公司将负责核动力火箭的设计、制造和测试。
NASA 的副局长帕姆・梅尔罗伊 (Pam Melroy)表示,与 DARPA 和私营企业的合作将加快送人类上火星相关技术的开发,未来核动力火箭的测试将是实现人类登陆火星的关键一步。
核动力火箭是如何工作的?
与传统的火箭发动机相比,核动力火箭的推进效率能达到它的 2 倍,这样可以搭载更少的燃料,而且在续航能力方面,核动力火箭的表现也更优异。那么如此高效的火箭是如何工作的呢?
其实核动力火箭的工作原理不尽相同。根据核能释放的原理,核动力火箭可以分为 3 类:
放射性同位素衰变火箭发动机:放射性同位素发生衰变会产生辐射,将辐射能转化为热能,加热气体推进剂,气体膨胀并从喷口喷出,形成推力。
核裂变火箭发动机:又叫核热火箭,加热气体推进剂的热量来自核燃料的核裂变反应,工作原理类似现在的核电站。DRACO 项目采用的就是核裂变火箭发动机方案。
核聚变火箭发动机:加热气体推进剂的热量来自核聚变反应。由于核聚变反应不好控制,对于可控核聚变的研究还处于初步阶段,因此核聚变火箭发动机只是理论上的设想。
除了美国,其他国家也在尝试或计划开展核动力火箭的研发工作,比如中国和俄罗斯。2018 年 3 月,中国航天科技集团六院院长刘志让表示,他们正联合中国核动力的相关研究设计单位,开展空间核动力方案的论证和关键技术的研究工作,后续将形成热核、核电等多种方案。在 2040 年前后,中国将实现核动力空间穿梭机的重大突破。
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