核动力航天器：为什么原子火箭的梦想又回来了 – 物理世界

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用原子弹将火箭发射到太空是一个疯狂的想法，值得庆幸的是，几十年前就被放弃了。但作为 理查德·科菲尔德 发现利用核动力发动机的能量来驱动太空旅行的潜力又回到了美国宇航局的议程上

DRACO 核动力火箭进入太空的描述 — **走向核** 美国的 DRACO 火箭将利用裂变反应堆产生的热量将其推进太空。（由洛克希德·马丁公司提供）

1914 年 HG Wells 出版 世界集免费，一本基于镭有一天可能为宇宙飞船提供动力的概念的小说。威尔斯熟悉欧内斯特·卢瑟福等物理学家的工作，他知道镭可以产生热量，并设想用它来转动涡轮机。这本书可能是虚构的，但是 世界集免费 正确地预见到了所谓的“原子宇宙飞船”的潜力。

利用核能进行太空旅行的想法在 1950 世纪 XNUMX 年代盛行，当时公众目睹了广岛和长崎的恐怖，逐渐相信核能可用于和平目的。感谢美国等项目原子用于和平，人们开始看到核电可以用于能源和交通。但也许最根本的应用在于航天。

核动力太空旅行最有力的支持者之一是著名的数学物理学家弗里曼戴森。 1958年，他从普林斯顿高等研究院休了一年假，到圣地亚哥通用原子公司工作，参与代号为“猎户座”的项目。特德·泰勒（Ted Taylor）的创意——一位曾在拉斯阿拉莫斯参与曼哈顿原子弹项目的物理学家—— 猎户座计划旨在建造一艘4000吨重的宇宙飞船，将使用2600枚核弹将其推进太空。

从航天器后部投下原子弹从环境角度来看听起来很疯狂，但戴森计算出“只有”0.1-1 美国人会因为这种方法而患上癌症。该项目甚至得到了火箭专家的支持沃纳·冯·布劳恩，并进行了一系列非核试飞。值得庆幸的是， 1963 年部分禁止核试验条约结束了猎户座计划，戴森本人在迟来地认识到原子航天器的环境危害后，也撤回了对原子航天器的支持。

尽管猎户座计划结束了，但核推进的诱惑从未真正消失（见专栏“核太空旅行：简史”），现在正在复兴。然而，这个想法不是使用原子弹，而是将能量从核裂变反应堆转移到推进剂燃料，推进剂燃料将被加热到大约 2500 K 并通过喷嘴喷射，这一过程称为“核热推进”(NTP) 。或者，裂变能可以电离气体，然后从航天器后部发射出去——这就是所谓的“核电推进”（NEP）。

那么，核动力太空旅行是否是一个现实的前景？如果是，哪种技术将胜出？

核太空旅行：简史

两位物理学家想象使用核能来推进火箭的插图 — **疯狂的梦想** 物理学家泰德·泰勒和弗里曼·戴森设想使用核弹将航天器送入轨道。（由麻省理工学院/Laurent Taudin 提供；www.unsitesurinternet.fr）

核动力航天的想法可以追溯到 1950 世纪 1960 年代，当时物理学家弗里曼·戴森 (Freeman Dyson) 提出使用原子弹将火箭推进太空。值得庆幸的是，这个想法很快就被放弃了，但在 1970 世纪 XNUMX 年代和 XNUMX 年代，美国宇航局 (NASA) 和美国原子能委员会运行了火箭飞行器应用核发动机（NERVA）计划，旨在利用裂变反应产生的热量将火箭推进太空。尽管核任务从未启动，NERVA 确实在反应堆设计、制造、涡轮机械和电子学方面取得了一些进展。

后来，在 1980 世纪 200 年代，美国设立了 XNUMX 亿美元太空核热推进（SNTP）计划，旨在开发功率是传统化学火箭发动机两倍的核动力火箭。 SNTP 是美国战略防御计划的一部分，该计划是罗纳德·里根总统设立的，旨在保护美国免受来袭核导弹的侵害。 SNTP 在 1990 世纪 XNUMX 年代初被放弃，因为燃料元件在压力下容易断裂，而且推进系统测试被认为过于昂贵。然而现在，美国宇航局再次关注核太空旅行（见正文）。

核助推

大多数传统火箭由普通化学燃料提供动力。这土星五号火箭例如，在 1960 世纪 1970 年代末和 XNUMX 年代初将宇航员送上月球的飞机使用的是液体燃料，而在航天飞机发射期间火箭助推器则发生了严重的故障 “挑战者” 1986年含有固体燃料。

最近， Space X 的猎鹰火箭例如，使用了煤油和氧气的混合物。问题是，所有此类推进剂都具有相对较小的“能量密度”（每单位体积存储的能量）和较低的“比冲量”（它们产生推力的效率）。这意味着火箭的总推力（比冲乘以废气的质量流量和地球重力）很低。

因此，化学推进剂只能让你走这么远，月球是传统的极限。为了到达遥远的行星和其他“深空”目的地，航天器通常利用多个不同行星的引力。然而，这样的旅程是迂回的并且需要很长时间。例如，美国宇航局的朱诺号任务需要 5年到达木星，而航行者号飞船花了 30 多年才到达木星太阳系边缘。此类任务还受到狭窄且不频繁的发射窗口的限制。

核航天器将使用裂变能来加热燃料（图 1）——最有可能是低温储存的液态氢，它具有低分子质量和高燃烧热。 “核推进，无论是电力还是热力，都可以从给定质量的燃料中提取比燃烧推进更多的能量，”说戴尔·托马斯曾任美国宇航局马歇尔太空飞行中心副主任，现就职于亨茨维尔阿拉巴马大学。

1 核动力航天器内部

在使用核热推进的火箭中，工作流体（通常是液态氢）在核反应堆中被加热到高温，然后通过喷嘴膨胀以产生推力。与内部储存能量的化学推进剂相比，这种火箭提供更高的有效排气速度，有效载荷能力将增加一倍或三倍。

托马斯说，当今最高效的化学推进系统可以实现特定冲动约465秒。相比之下，由于核反应的功率密度较高，NTP 的比冲可以达到近 900 秒。再加上更高的推重比，NTP 可以在短短 500 天（而不是 900 天）内将火箭送上火星。

“推重比至关重要，因为它决定了航天器的加速能力，这在关键任务阶段尤其重要，例如逃离地球重力或在深空机动，”说莫罗·奥格利英国航天局发射系统负责人。 “另一方面，比冲量是衡量火箭使用推进剂效率的指标。”

核推进，无论是电力还是热力，都可以从给定质量的燃料中提取比燃烧推进更多的能量

戴尔·托马斯，阿拉巴马大学亨茨维尔分校

从本质上讲，对于一定数量的推进剂，核动力航天器可以比化学火箭更快地飞行并维持更长时间的推力。因此，这对于载人火星任务来说非常有利——不仅宇航员的旅程会更快，而且他们受到的宇宙辐射也会减少。奥格利补充道：“此外，较短的任务持续时间减少了后勤和生命支持方面的挑战，使深空探索更加可行和安全。”

但核电不仅仅是为了缩短旅行时间。美国宇航局也有一个专用程序在其格伦研究中心在俄亥俄州克利夫兰，一旦航天器到达目的地，就使用核裂变（而不是太阳能或化学燃料）为航天器提供动力。项目经理表示：“核能为极端环境和太空区域的运行提供了独特的优势，在这些区域，太阳能和化学系统不足以或不可能作为长期运行的能源。” 林赛·卡尔登.

回到行动中

2020年，美国政府将核航天器坚定地重新提上议程奖励近 100 亿美元三个公司——通用原子公司、洛克希德马丁公司和蓝色起源公司。他们将用这笔钱来开展工作用于敏捷 Cislunar 操作的演示火箭（DRACO）计划，该计划的资金来源是 DARPA 美国国防部的研究机构。在第一阶段两家公司的目标是证明 NTP 可用于在近地轨道上空飞行火箭，而 DARPA 的目标是实现与现有化学火箭系统相当的推重比。

裂变表面动力系统 — **按需能源** 像这样的裂变表面电力系统可以在月球和火星上提供安全、高效和可靠的电力。（由美国宇航局提供）

塔比瑟·多德森DRACO 项目经理 DARPA 认为 DRACO 项目成功发射和飞行核空间反应堆将彻底改变太空飞行。 “与当今的化学系统不同，化学系统的发展已经达到了极限，核技术理论上可以发展到聚变等系统，”她说。 “进化为由核反应堆操纵和驱动的航天器将使人类走得更远，在任何任务类型中都有更高的生存和成功机会。”

在DRACO计划中，通用原子公司将设计NTP反应堆并绘制推进子系统的蓝图，而蓝色起源和洛克希德·马丁公司将自行规划航天器。裂变反应堆将使用一种特殊的高含量低浓铀（HALEU），可以使用从现有核反应堆回收的燃料来制造。浓缩铀含量仅为20%，不适合制成核武器。

在飞船到达“核安全”轨道之前，反应堆不会启动（即进入临界状态）。换句话说，万一发生紧急情况，任何污染都会无害地消散到太空中。洛克希德·马丁公司已经与 BWX技术弗吉尼亚州林奇堡开发反应堆并生产 HALEU 燃料。 BWX 表示 DRACO 火箭可能会发射最快2027年.

吸气式火箭发动机：太空飞行的未来

别处，爱达荷国家实验室的研究人员美国正在帮助美国宇航局开发和测试核火箭所需的材料瞬态反应堆测试爱达荷福尔斯附近的 (TREAT) 设施。他们去年已经进行了一次练习，以验证计算机模型并测试新的传感器和实验舱。从长远来看，目标是确定哪些材料、复合结构和铀化合物在 NTP 反应堆的极热条件下效果最好。

来自反应堆的热量会加热氢燃料，从而提供最大的速度变化 - 火箭科学家称之为 Δv – 对于给定的质量。氢的缺点是密度低，火箭需要大型储罐。其他推进剂，例如氨，具有较低的 Δv 每公斤推进剂，但密度要大得多。在亨茨维尔，托马斯已经证明氨将是美国宇航局天文学家前往火星的理想燃料月球通道 – 绕月球运行的空间站。

已发表 NTP技术综述托马斯在 2020 年美国航空航天研究所的报告中得出的结论是，常规 NTP 系统可以在大约 50 分钟的短时间燃烧中提供大量推力，将是飞越和交会任务的理想选择。但也有“双模式”系统，将 NTP 与 NEP 结合起来（见专栏“核电推进的挑战”）。前者可快速爆发高推力，而后者可长时间产生低推力，非常适合长途往返任务。

凯特·哈格蒂·凯利BWX Technologies 空间与工程总监表示，整体核热推进系统的效率比化学推进系统高两到五倍，同时还提供高推力。 “[相比之下]，核电推进系统可以提供更高的效率但推力更低，并且通过核裂变产生的能量可以转化为电力，为航天器上的子系统提供动力。”

核电推进的挑战

**我们一路走稳** 美国宇航局裂变表面动力项目经理林赛·卡尔登认为，核电推进的稳定动力将使可靠的深空旅行成为可能。（由美国宇航局提供）

核热推进 (NTP) 涉及利用核反应产生的能量来加热从火箭后部发射的燃料，例如玩具气球中的空气。但在核电推进（NEP）中，裂变能被用来电离气体。 “NEP 系统排出的推进剂可以是惰性气体，例如氙气或氪气，但根据电动推进器的类型，也可以选择碘、锂或氢气，”项目经理 Lindsay Kaldon 说道。裂变面功率在美国宇航局格伦研究中心。

当推进剂被电离时，可以使用电磁装置引导和加速气体，使航天器向前运动。卡尔登承认，推力远小于 NTP 火箭的推力。 “与快艇相比，NEP 是一艘微风轻拂的帆船，”她说。 “然而，这确实是我们进行稳定、可靠的深空之旅所需要的一切。”

卡尔登和她在格伦的同事面临的挑战是确保反应堆产生足够的电力来电离推进剂，并且推进器顺利运行。一种选择是使用 “斯特林发动机”，它利用发动机热端和冷端之间气体的循环压缩和膨胀来发电。另一个选项是 “霍尔效应推进器”，它通过将电导体与垂直于导体的磁场相结合来产生电压。

那么对于深空作业来说，NTP 还是 NEP 哪个更好呢？托马斯表示，这将取决于任务的类型。 “对于特定类别的任务（例如超过一定质量的科学航天器）或载人任务，或对于某些目的地，NTP 将是最佳选择，而对于其他任务，NEP 将是最佳选择。就像汽车旅行一样，这取决于距离、您携带的行李数量、您的日程安排要求等等。”