載荷增加三倍，前往火星時(shí)間縮短四分之一，火箭為何不用核動(dòng)力？

美國宇航局將完成火星探索寄希望于核動(dòng)力火箭，也就是應(yīng)用核熱推進(jìn)系統(tǒng)將宇航員送入太空，與當(dāng)今的頂級(jí)火箭技術(shù)相比，核動(dòng)力可以顯著縮短飛行時(shí)間并攜帶更大的有效載荷，從而為人類探索太空提供更好的支持和保障。

核動(dòng)力火箭概念

核動(dòng)力火箭依靠核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量飛行，而核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量取代了化學(xué)火箭中推進(jìn)劑的化學(xué)能。在核熱推進(jìn)系統(tǒng)中，液態(tài)氫在核反應(yīng)堆中被加熱到高溫，然后通過火箭噴嘴膨脹以產(chǎn)生推力�？紤]到外部核熱源理論，預(yù)計(jì)其有效載荷能力將增加一倍或三倍。

最早的核動(dòng)力火箭地面測(cè)試發(fā)生在1955年，并持續(xù)到了1973年，之后由于各種原因，包括專注于航天飛機(jī)的開發(fā)而暫停。盡管如此，美國仍然已經(jīng)建造并測(cè)試了十多個(gè)不同功率輸出的反應(yīng)堆，但截至2023年，還沒有核熱火箭成功升空。

早期的時(shí)候，核動(dòng)力推進(jìn)的所有應(yīng)用都依賴于裂變過程，但2010年代的研究已轉(zhuǎn)向聚變方法，普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的直接聚變驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目就是這樣的一個(gè)例子。盡管在實(shí)際操作上仍有難度，但是美國已經(jīng)批準(zhǔn)了1.25億美元的研發(fā)資金用于研究新技術(shù)。

這種火箭的主要應(yīng)用領(lǐng)域是火星探索，因?yàn)閷?duì)于太空飛行來說，人類最需要克服的一個(gè)問題就是飛行時(shí)間，而縮減飛行時(shí)間可以有效降低宇航員暴露在太空輻射中的風(fēng)險(xiǎn)。減少運(yùn)輸時(shí)間是人類完成火星任務(wù)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，因?yàn)楦�長的旅行需要更多的補(bǔ)給和更強(qiáng)大的保護(hù)系統(tǒng)。

核熱推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

核動(dòng)力火箭內(nèi)部的工作原理是核熱推進(jìn)系統(tǒng)，火箭中的裂變反應(yīng)堆會(huì)產(chǎn)生熱量以使液體推進(jìn)劑膨脹，液體推進(jìn)劑接著會(huì)從噴嘴噴出以推動(dòng)航天器。其能量密度比常見化學(xué)火箭更高，效率則是化學(xué)火箭的兩倍。

工程師將這種性能衡量為比沖量，即從特定量的推進(jìn)劑中可以獲得的推力。之所以有著更高的效率，是因?yàn)檩^輕的氣體更容易加速。當(dāng)化學(xué)火箭燃燒時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生水蒸氣，這是一種比核熱推進(jìn)系統(tǒng)中使用的氫氣重得多的副產(chǎn)品。

水蒸氣會(huì)拉低化學(xué)火箭的效率，而用了核動(dòng)力的火箭則可以以更少的燃料行駛更遠(yuǎn)的距離。需要注意的是，核熱系統(tǒng)并不是在地面上開始使用的，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的不是產(chǎn)生離開地球表面所需的推力，而是為深空任務(wù)提供更大的靈活性。

核熱推進(jìn)系統(tǒng)可以將前往火星的旅行時(shí)間縮短高達(dá)四分之一，更重要的是，可以限制機(jī)組人員接觸宇宙輻射的機(jī)會(huì)。它還可以實(shí)現(xiàn)更廣泛的發(fā)射窗口，不依賴于軌道對(duì)準(zhǔn)，并允許宇航員在必要時(shí)中止任務(wù)并返回地球。

核動(dòng)力火箭為何遲遲不成功？

與大多數(shù)新技術(shù)和新能源一樣，成功與否都關(guān)乎著風(fēng)險(xiǎn)和成本的問題。如果核動(dòng)力更便宜，或者風(fēng)險(xiǎn)更低，而且風(fēng)險(xiǎn)更低的同時(shí)成本沒有顯著增加，這種方案就會(huì)被選擇，否則就會(huì)是一個(gè)很難做的決定。

核動(dòng)力火箭的推進(jìn)系統(tǒng)其實(shí)與地面發(fā)電廠有些相似，也就是說，首先裂變反應(yīng)堆為電動(dòng)推進(jìn)器發(fā)電，該能量使氣體推進(jìn)劑中的離子帶正電，然后電場、磁場或靜電場加速離子，最后加速的離子通過推進(jìn)器被推出，推進(jìn)航天器。

在核熱推進(jìn)系統(tǒng)中，反應(yīng)堆更像是一個(gè)熱交換器，其中液態(tài)氫等燃料會(huì)被加熱到非常高的溫度，高達(dá)2500攝氏度。這涉及到一個(gè)概念，即運(yùn)載火箭需要遵循脈沖守恒定律，火箭的速度取決于推進(jìn)劑的質(zhì)量和速度。

簡單來說就是，如果我們想讓火箭使用較少的推進(jìn)劑就能達(dá)到更高的速度，那么其周圍溫度也勢(shì)必會(huì)更高，問題是沒有材料可以承受如此高的熱量。除非材料科學(xué)有重大突破，否則運(yùn)載火箭使用核熱發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)就無法戰(zhàn)勝其劣勢(shì)。

關(guān)于使用核動(dòng)力，還有一些其他的考量，比如放射性塵埃是否會(huì)污染太空，再比如如果發(fā)射失敗，那么地球上的人類也許會(huì)受到核動(dòng)力的輻射影響。這并不是一個(gè)空穴來風(fēng)的猜想，即使是普通火箭也經(jīng)常會(huì)爆炸，因?yàn)榛鸺龖?yīng)力會(huì)將材料和設(shè)計(jì)推向極限。

當(dāng)核反應(yīng)堆很有可能發(fā)生爆炸時(shí)，當(dāng)然沒有人希望它們到處亂飛，因?yàn)楹宋廴竞芸赡軙?huì)影響大范圍。這被稱為“脫落”，脫落是因?yàn)榉磻?yīng)物質(zhì)在通過固體核心的核熱推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)，會(huì)在非常高的溫度下變得具有侵蝕性，這會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)堆堆芯材料的一小部分隨著廢氣排出。