NASA 核動力火箭 2035 年奔赴火星!我們離太空「核時代」還有多遠?

雷鋒網 於 30/12/2020 發表 收藏文章
北京時間 2020 年 7 月 30 日 19 時 50 分,美國卡納維拉爾角空軍基地 41 號發射場,搭載着“毅力號”火星車的宇宙神 5 號運載火箭發射升空。


按 NASA 的計劃,“毅力號”火星車將在大約 20 天后登陸火星,尋覓形成於 35 億年前的火星古代微生物生命跡象。

回顧 2020 年,對於 NASA 來説,由核動力驅動的“毅力號”火星車成功發射,絕對是一大歷史性航天事件。

而展望未來,NASA 對於火星的探索仍將繼續,新興的硬核技術也正在投資、催生當中——NASA 宣佈,將與商業公司共同研發核動力發動機,未來地球人研究甚至奔赴火星將會藉助核的力量,而這一宏偉目標會在 2035 年前實現。

何為核動力火箭?

建造核火箭的想法可追溯至 20 世紀 40 年代。

20 世紀 60 年代,NASA 和美國原子能委員會(即現在的美國能源部)開始了對核火箭的研究。不久後,隸屬於美國能源部的洛斯阿拉莫斯國家實驗室成功建造、測試了幾艘核火箭,這些火箭也為美國的核火箭設計奠定了基礎。

1972 年這一項目結束,但針對核火箭基本設計、材料和燃料的研究仍未停止。但不可否認,目前的主流還是化學火箭——顧名思義,這類火箭所利用的是化學火箭發動機,即一種利用推進劑的化學能在燃燒室中進行化學反應,產生高温、高壓燃氣,再產生反作用推力的裝置。

而核火箭的工作原理在於,利用核反應或放射性物質衰變釋放出的能量加熱工作介質,工作介質再通過噴管高速排出,從而產生推力,宇宙飛船得以高速飛行。

具體來講,核反應釋放的能量可將液態氫加熱至 2430 攝氏度(核電站堆芯温度的 8 倍),同時推進劑會膨脹,並以驚人的速度噴射出來。

相比於化學火箭,核動力火箭每單位質量的推進劑可產生兩倍推力,因此飛船將會大大提速,航行時間也更長。不管是土衞六還是冥王星,當到達目的地後,核反應堆的角色將會從推進系統轉便為動力源,保證航天器在長達數年的時間內發回高質量數據。

上述這一過程,有個官方的名稱:「核熱推進」(Nuclear Thermal Propulsion)。

2020 年 1 月 21 日,美國能源部核能辦公室在其官網對「核熱推進」進行了一次簡單的 Q&A 科普。


根據介紹,「核熱推進」有以下幾大特點:

  • 比化學火箭更有效:核火箭的能量密度、效率都更高;
  • 不會在地球上使用:其目的不是產生離開地球表面所需的推力;
  • 更具靈活性:可將前往火星的時間最多減少 25%;減少宇航員暴露在宇宙輻射下的時間;可使發射窗口期增長;不依賴於軌道排列;必要時宇航員可中止任務並返回地球。

此外,還存在另外一種系統:「核電推進」(Nuclear Electric Propulsion),其工作原理是利用大功率核裂變反應堆發電,將核能轉為電能。據瞭解,核電推進質量效率相當之高,約為核熱推進的 3 倍。

這類系統最為常見的例子包括我們熟知的採用核動力設計的 NASA“好奇號”和“毅力號”火星車。就拿“毅力號”來講,其核動力源「多任務放射性同位素熱電發生器 MMRTG」由美國能源部提供,主要是利用鈈 238 原子核衰變釋放的熱量來產生 110 瓦的電能。


自然,核動力有着無可比擬的優勢,但也存在着不小的隱患,尤其是核輻射對航天員健康可能造成的威脅。

這裏引用百度百科的一組數據:

引用核火箭/飛船內的輻射量相當於航天員每天做 8 次胸透,長期的輻射會對航天員的身體造成嚴重傷害。航天員返回地面後,肌肉量一般會減少 30%,骨密度也會下降。

核動力,宇宙探索的未來

美國科羅拉多大學博爾德分校航空航天工程科學專業教授 Iain Boyd 曾在一篇文章中寫道:

引用1970 年代,美國法規要求所有核太空項目都要經過多層政府機構的審查和總統批准,而核火箭研究的資金非常短缺,直至 2019 年 NASA 獲得了用於發展核熱推進的 1 億美元研發費用。

可以説,為星際旅行開發核動力火箭前路漫漫,除了技術難題,成本也是一大挑戰。

儘管如此,在 NASA 看來,以核裂變或核聚變為動力的火箭仍是未來太陽系旅行的首選方式。

IEEE Spectrum 雜誌也曾這樣寫道:

儘管在地球上,核反應堆有着諸多爭議,但它產生的能量和推進力足以讓大型宇宙飛船迅速到達火星,甚至是比火星更遠的地方。

據瞭解,核動力發動機只能用於星際旅行,不能在地球大氣層中使用。也就是説,化學能燃料火箭先將飛船發射、助推出近地軌道,接着核推進系統才會啓動。


為實現這一目標,關鍵在於設計出安全、輕便的核發動機,而設計新燃料和反應堆似乎可以勝任這項任務,畢竟核發動機對燃料的要求是:必須要承受超高的温度和核熱機內部的不穩定因素。

就像 NASA 空間技術任務理事會首席工程師 Jeff Sheehy 所説:

如果想要儘快奔赴火星並返回,核動力推進系統可以派上用場,而需要改進的一項關鍵技術就是燃料。

為此,NASA 正在與商業公司合作,為未來可能的核動力載人太空任務做努力。目前已有兩家公司表示,他們的燃料對於一個安全、高性能的反應堆來説足夠靠譜。甚至於其中一家公司已經向 NASA 提交了詳細的計劃書。

這兩家公司,一是總部位於西雅圖的超安全核技術公司(Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies,USNC-Tech),二是總部位於弗吉尼亞州林奇堡的 BWX 技術公司。

一般來講,火箭要想有足夠的推力,需要武器級別的高濃縮鈾——雖然商業發電廠的低濃縮鈾燃料使用起來會更安全,但在酷熱的温度下,在極具活性的氫的化學攻擊下,它們會變得脆弱並分解。不過,USNC-Tech 使用的鈾燃料濃度低於 20%,含有分散在碳化鋯基體中的微小陶瓷塗層鈾燃料顆粒,通過放射性裂變熱量逸出。

USNC-Tech 工程總監 Michael Eades 表示,這一濃度比動力反應堆的濃度高,但不能用於一些邪惡目的,因此極大地降低了核擴散的風險。

另一家 BWX 技術公司也在研究類似的陶瓷複合燃料的設計方案,此外還在研究一種封裝在金屬基體中的替代燃料形式。BWX 公司先進技術部門總經理 Joe Miller 表示,自 2017 年以來,該公司就已開始研究反應堆設計。

與此同時,作為美國能源部的國家實驗室,普林斯頓等離子體物理實驗室也在進行嘗試,他們提出了一個名為「直接聚變驅動」(Direct Fusion Drive)的概念。



實際上,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驗室正在努力製造一種依賴於在高温等離子體中氘原子和氦-3 之間的聚變反應堆,這種聚變產生的中子很少,可以將聚變等離子體加熱到攝氏 100 萬度。簡單來講,相比傳統的聚變,這種方式需要的燃料更少,而且設備也只有傳統聚變的千分之一大。

普林斯頓等離子體物理實驗室科學家 Samuel Cohen 表示:

通往小型、安全的核動力火箭,核聚變反應堆是另一條路。我們不喜歡中子,它們就像是把鋼鐵等結構變成了具有放射性的奶酪。

理論上講,聚變推進的性能遠超過裂變推進,因為聚變反應釋放的能量高達核聚變的 4 倍。然而這一技術還不成熟,還面臨着幾大挑戰,包括生成等離子體、將釋放的能量轉化為直接噴射廢氣等等。Jeff Sheehy 表示:

在 21 世紀 30 年代末之前,這項技術不可能用於火星任務。

不過 NASA 及合作伙伴也在一點點趕進度,比如 USNC-Tech 已經基於其新燃料製造了小型硬件原型。USNC-Tech 官方表示,趕在 2027 年之前,將會有一個演示系統發射,隨後將建立一個全面的火星飛行系統,更好地推動 2035 年的火星任務。

核火箭未來將如何發展,我們拭目以待。

引用來源:

https://spectrum.ieee.org/aerospace/space-flight/nuclear-powered-rockets-get-a-second-look-for-travel-to-mars

https://www.energy.gov/ne/articles/6-things-you-should-know-about-nuclear-thermal-propulsion

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資料來源:雷鋒網
作者/編輯:付靜

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