NASA核动力火箭2035年奔赴火星

2020年7月30日19时50分,美国卡纳维拉尔角空军基地41号发射场,搭载“毅力号”火星车的擎天神5号运载火箭发射升空。

按NASA的计划,“毅力号”火星车将约20天后登陆火星,寻觅形成于35亿年前的火星古代微生物生命迹象。

回顾2020年,对NASA来说,核动力驱动的“毅力号”火星车成功发射,绝对是历史性太空事件。

而预期未来,NASA对火星的探索仍将继续,新兴的硬核技术也正在投资催生──NASA宣布,将与商业公司共同研发核动力发动机,未来地球人研究甚至奔赴火星将会借助核的力量,而这宏伟目标会在2035年前实现。

何为核动力火箭?

建造核火箭的想法可追溯至20世纪40年代。20世纪60年代,NASA和美国原子能委员会(即现在的美国能源部)开始了对核火箭的研究。不久后,隶属于美国能源部的洛斯阿拉莫斯国家实验室成功建造、测试了几艘核火箭,这些火箭也为美国的核火箭设计奠定了基础。

1972年这一项目结束,但针对核火箭基本设计、材料和燃料的研究仍未停止。但不可否认,目前的主流还是化学火箭——顾名思义,这类火箭所利用的是化学火箭发动机,即一种利用推进剂的化学能在燃烧室中进行化学反应,产生高温、高压燃气,再产生反作用推力的设备。

而核火箭的工作原理在于,利用核反应或放射性物质衰变释放出的能量加热工作介质,工作介质再通过喷管高速排出,从而产生推力,宇宙飞船得以高速飞行。

具体来讲,核反应释放的能量可将液态氢加热至摄氏2,430度(核电站堆芯温度的8倍),同时推进剂会膨胀,并以惊人的速度喷射出来。

相比于化学火箭,核动力火箭每单位质量的推进剂可产生两倍推力,因此飞船将会大大提速,航行时间也更长。不管是土卫六还是冥王星,当到达目的地后,核反应堆的角色将会从推进系统转为动力源,保证太空飞行器在长达数年的时间内发回高品质数据。上述过程有官方名称:“核热推进”(Nuclear Thermal Propulsion)。

2020年1月21日,美国能源部核能办公室在其官网对“核热推进”进行了一次简单的Q&A科普。据介绍,“核热推进”有几大特点:

此外,还存在另外一种系统:“核电推进”(Nuclear Electric Propulsion),其工作原理是利用大功率核裂变反应堆发电,将核能转为电能。据了解,核电推进质量效率相当之高,约为核热推进的3倍。

这类系统最为常见的例子,包括我们熟知的采用核动力设计的NASA“好奇号”和“毅力号”火星车。就拿“毅力号”来讲,其核动力源“多任务放射性同位素热电发生器MMRTG”由美国能源部提供,主要是利用钚238原子核衰变释放的热量来产生110瓦的电能。

自然,核动力有着无可比拟的优势,但也有不小隐忧,尤其是核辐射对宇航员健康可能造成的威胁。

这里引用百度百科的一组数据:

核火箭/飞船内的辐射量相当于宇航员每天做8次胸透,长期的辐射会对宇航员的身体造成严重伤害。宇航员返回地面后,肌肉量一般会减少 30%,骨密度也会下降。

核动力,宇宙探索的未来

美国科罗拉多大学博尔德分校航空航天工程科学专业教授Iain Boyd曾在一篇文章中写道:

1970年代,美国法规要求所有核太空项目都要经过多层政府机构的审查和总统批准,而核火箭研究的资金非常短缺,直至2019年NASA获得了用于发展核热推进的1亿美元研发费用。

可以说,为星际旅行开发核动力火箭前路漫漫,除了技术难题,成本也是一大挑战。

尽管如此,在NASA看来,以核裂变或核聚变为动力的火箭仍是未来太阳系旅行的首选方式。

IEEE Spectrum杂志也曾这样写道:

尽管当地球上,核反应堆有着诸多争议,但它产生的能量和推进力足以让大型宇宙飞船迅速到达火星,甚至是比火星更远的地方。

据了解,核动力发动机只能用于星际旅行,不能当地球大气层中使用。也就是说,化学能燃料火箭先将飞船发射、助推出近地轨道,接着核推进系统才会启动。

为实现这一目标,关键在于设计出安全、轻便的核发动机,而设计新燃料和反应堆似乎可以胜任这项任务,毕竟核发动机对燃料的要求是:必需要承受超高的温度和核热机内部的不稳定因素。

就像NASA空间技术任务理事会首席工程师Jeff Sheehy所说:

如果想要尽快奔赴火星并返回,核动力推进系统可以派上用场,而需要改进的一项关键技术就是燃料。

为此,NASA正在与商业公司合作,为未来可能的核动力载人太空任务做努力。目前已有两家公司表示,他们的燃料对于一个安全、高性能的反应堆来说足够靠谱。甚至于其中一家公司已经向NASA提交了详细的计划书。

这两家公司,一是总部位于西雅图的超安全核技术公司(Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies,USNC-Tech),二是总部位于弗吉尼亚州林奇堡的BWX技术公司。

一般来讲,火箭要想有足够的推力,需要武器级别的高浓缩铀——虽然商业发电厂的低浓缩铀燃料使用起来会更安全,但在酷热的温度下,在极具活性的氢的化学攻击下,它们会变得脆弱并分解。不过,USNC-Tech使用的铀燃料浓度低于20%,含有分散在碳化锆基体中的微小陶瓷涂层铀燃料颗粒,通过放射性裂变热量逸出。

USNC-Tech工程总监Michael Eades表示,这一浓度比动力反应堆的浓度高,但不能用于一些邪恶目的,因此极大地降低了核扩散的风险。

另一家BWX技术公司也在研究类似的陶瓷复合燃料的设计方案,此外还在研究一种封装在金属基体中的替代燃料形式。BWX公司先进技术部门总经理Joe Miller表示,自2017年以来,该公司就已开始研究反应堆设计。

与此同时,作为美国能源部的国家实验室,普林斯顿等离子体物理实验室也在进行尝试,他们提出了一个名为“直接聚变驱动”(Direct Fusion Drive)的概念。

实际上,主流的核聚变使用的是氚燃料,但普林斯顿等离子体物理实验室正在努力制造一种依赖于在高温等离子体中氘原子和氦-3之间的聚变反应堆,这种聚变产生的中子很少,可以将聚变等离子体加热到摄氏100万度。简单来讲,相比传统的聚变,这种方式需要的燃料更少,而且设备也只有传统聚变的千分之一大。

普林斯顿等离子体物理实验室科学家Samuel Cohen表示:

通往小型、安全的核动力火箭,核聚变反应堆是另一条路。我们不喜欢中子,它们就像是把钢铁等结构变成了具有放射性的奶酪。

理论上讲,聚变推进的性能远超过裂变推进,因为聚变反应释放的能量高达核聚变的4倍。然而这一技术还不成熟,还面临着几大挑战,包括生成等离子体、将释放的能量转化为直接喷射废气等等。Jeff Sheehy表示:

在21世纪30年代末之前,这项技术不可能用于火星任务。

不过NASA及合作伙伴也在一点点赶进度,比如USNC-Tech已经基于其新燃料制造了小型硬件原型。USNC-Tech官方表示,赶在2027年之前,将会有一个演示系统发射,随后将创建一个全面的火星飞行系统,更好地推动2035年的火星任务。

核火箭未来将如何发展,让人拭目以待。

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