下一个太空旅行时代应该包括核动力火箭

伊恩·博伊德是科罗拉多大学博尔德分校航空航天工程科学教授。本文最初发表于《对话》。

随着 NASA 和伊隆·马斯克都梦想着登陆火星，长距离载人太空飞行任务即将到来。但你可能会惊讶地发现，现代火箭的速度并不比过去的火箭快多少。

有很多理由表明，速度越快的宇宙飞船越好，而核动力火箭就是实现这一目标的一种方式。与传统的燃料燃烧火箭或现代的太阳能电动火箭相比，它们有很多优势，但在过去 40 年里，美国只有八次搭载核反应堆的航天发射。

然而，去年管理核太空飞行的法律发生了变化，下一代火箭的研制工作已经开始。

为什么需要速度？

太空旅行的第一步是使用发射火箭将飞船送入轨道。人们在想到火箭发射时会想到大型燃料发动机，由于重力的限制，这种发动机在可预见的未来不太可能消失。

一旦飞船进入太空，事情就会变得有趣起来。为了摆脱地球引力并到达深空目的地，飞船需要额外的加速度。这就是核系统发挥作用的地方。如果宇航员想要探索比月球甚至火星更远的地方，他们需要飞得非常快。太空是巨大的，一切都很遥远。

速度更快的火箭更适合长距离太空旅行有两个原因：安全和时间。

前往火星的宇航员将受到极高水平的辐射，这可能导致严重的长期健康问题，如癌症和不育症。辐射屏蔽可以有所帮助，但它非常重，任务时间越长，需要的屏蔽就越多。减少辐射暴露的更好方法是更快地到达目的地。

但人类安全并不是唯一的益处。随着航天机构进一步探索太空，尽快从无人飞行器中获取数据非常重要。旅行者二号花了 12 年才到达海王星，并在飞过海王星时拍摄了一些令人难以置信的照片。如果旅行者二号拥有更快的推进系统，天文学家们就可以在数年前就获得这些照片及其所包含的信息。

速度是好事。但是为什么核系统速度更快呢？

当今的系统

一旦船舶摆脱地球引力，在比较任何推进系统时需要考虑三个重要方面：

• 推力=系统能使船加速的速度
• 质量效率=系统在给定燃料量的情况下能产生多少推力
• 能量密度=一定量的燃料能产生多少能量

目前，最常用的推进系统是化学推进（即常规燃料燃烧火箭）和太阳能电力推进系统。

化学推进系统可以提供很大的推力，但化学火箭的效率并不高，火箭燃料的能量密度也不高。将宇航员送上月球的土星五号火箭在升空时产生了 3500 万牛顿的力，并携带了 95 万加仑的燃料。虽然大部分燃料都用于将火箭送入轨道，但其局限性显而易见：需要大量重型燃料才能到达任何地方。

电力推进系统利用太阳能电池板产生的电力产生推力。最常见的方法是使用电场加速离子，例如霍尔推进器。这些设备通常用于为卫星供电，其质量效率比化学系统高出五倍以上。但它们产生的推力要小得多——大约三牛顿，或仅足以在大约两个半小时内将汽车从 0 加速到 60 英里/小时。能量源——太阳——本质上是无限的，但飞船离太阳越远，它的用处就越小。

核动力火箭前景光明的原因之一是它们具有惊人的能量密度。核反应堆中使用的铀燃料的能量密度比典型的化学火箭推进剂肼高出 400 万倍。将少量铀送入太空比将数十万加仑的燃料送入太空要容易得多。

那么推力和质量效率如何？

核能的两种选择

工程师们设计了两种主要类型的太空旅行核系统。

第一种是核热推进。这种系统非常强大，效率也适中。它们使用小型核裂变反应堆（类似于核潜艇中的反应堆）来加热氢气等气体，然后该气体通过火箭喷嘴加速以提供推力。NASA 的工程师估计，使用核热推进的火星任务比使用化学动力火箭的旅行时间短 20%-25%。

核热推进系统的效率是化学推进系统的两倍多，这意味着它们使用相同数量的推进剂质量产生两倍的推力，并且可以提供 100,000 牛顿的推力。这足以让汽车在大约四分之一秒内从 0 加速到 60 英里/小时。

第二种基于核能的火箭系统称为核电推进系统。目前还没有建造核电系统，但其想法是使用高功率裂变反应堆发电，然后为霍尔推进器等电力推进系统提供动力。这将非常高效，比核热推进系统好三倍左右。由于核反应堆可以产生大量电力，因此可以同时操作许多单独的电推进器以产生大量推力。

核电系统将是超长距离任务的最佳选择，因为它们不需要太阳能，效率很高，而且推力相对较大。不过，尽管核电火箭前景广阔，但在投入使用之前仍有许多技术问题需要解决。

为什么还没有核动力火箭？

核热推进系统自 20 世纪 60 年代就开始研究，但尚未在太空飞行。

美国在 1970 年代首次实施的法规基本上要求任何核太空项目都要经过多个政府机构的逐案审查和批准，并得到总统的明确批准。再加上核火箭系统研究资金不足，这种环境阻碍了用于太空的核反应堆的进一步改进。

2019 年 8 月，特朗普政府发布总统备忘录后，一切都发生了改变。新指令坚持尽可能保证核发射的安全，同时允许核材料含量较低的核任务跳过多机构审批程序。只有 NASA 等赞助机构需要证明任务符合安全建议。更大规模的核任务将经历与以前相同的程序。

随着法规的修订，NASA 在 2019 年预算中获得了 1 亿美元用于开发核热推进系统。DARPA 还在开发太空核热推进系统，以支持地球轨道以外的国家安全行动。

经过 60 年的停滞，核动力火箭有可能在十年内飞向太空。这一激动人心的成就将开启太空探索的新时代。人类将前往火星，科学将在整个太阳系乃至更远的地方取得新发现。