重新設(shè)計(jì)核動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī) 飛向火星！

日前，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，核反應(yīng)堆在雖然在地球上惹出很多麻煩和爭(zhēng)議，但它們卻可以產(chǎn)生足夠的能量和推力，快速地將大型宇宙飛船送上火星，甚至更遠(yuǎn)的星球。

事實(shí)上，核動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的想法可以追溯到上世紀(jì)四十年代。

至關(guān)重要的是，核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)僅用于星際飛行。火箭還在地球大氣層之內(nèi)時(shí)，不會(huì)使用啟用核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)?；鸺l(fā)射階段，仍使用化學(xué)燃料。只有在火箭離開(kāi)低地球軌道之后，核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)才會(huì)啟動(dòng)。

最近，核裂變和核聚變驅(qū)動(dòng)的星際飛行計(jì)劃有了新的設(shè)計(jì)，這些新設(shè)計(jì)的成功可能性也更大。

核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何確保該發(fā)動(dòng)機(jī)既輕便又安全。隨著NASA正與行業(yè)合作伙伴就未來(lái)可能的核動(dòng)力載人太空飛行任務(wù)展開(kāi)合作，新的燃料和反應(yīng)堆設(shè)計(jì)已成為一項(xiàng)重要任務(wù)。

NASA空間技術(shù)任務(wù)理事會(huì)的首席工程師杰夫·希伊說(shuō)：“如果我們希望將往返火星的路程時(shí)間減少到兩年以下，核動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)十分具有優(yōu)勢(shì)。”他還說(shuō)，若要使這樣的任務(wù)成為可能，“燃料這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)必須要改進(jìn)”。

具體地說(shuō)，就是燃料必須能承受核熱力發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的超高溫環(huán)境和不穩(wěn)定條件。有兩家公司已經(jīng)表示，他們的燃料足夠穩(wěn)定，可以用于安全、緊湊和高性能的反應(yīng)堆。事實(shí)上，其中一家公司已經(jīng)向NASA提供了詳細(xì)的概念設(shè)計(jì)方案。

核熱力推進(jìn)系統(tǒng)使用核反應(yīng)釋放的能量將液態(tài)氫加熱至2430℃，這個(gè)溫度大約是核電站核心溫度的八倍之多。推進(jìn)劑隨后以極高的速度膨脹并噴射而出。

與傳統(tǒng)的化學(xué)燃料火箭相比，對(duì)于每單位質(zhì)量的推進(jìn)劑，核熱力火箭可以產(chǎn)生兩倍的推力，從而使得核動(dòng)力飛船可以飛行得更遠(yuǎn)更快。

此外，一旦達(dá)到目的地——無(wú)論是土星的土衛(wèi)六還是冥王星，核反應(yīng)堆可以從推進(jìn)器變?yōu)閯?dòng)力源，允許飛船持續(xù)多年向地球送回高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

以往，從核動(dòng)力火箭獲得足夠的推力需要使用武器級(jí)別的高濃度鈾。但是，商業(yè)發(fā)電站中的低濃度鈾燃料，使用起來(lái)則更加安全。

唯一的問(wèn)題是，在極高溫度環(huán)境下以及在極易反應(yīng)的氫帶來(lái)的化學(xué)侵蝕條件下，低濃度鈾燃料會(huì)變得十分脆弱并容易分解。

但是，西雅圖的Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies（USNC-Tech）公司使用的鈾燃料濃縮至20%以下。雖然比核反應(yīng)堆中使用的鈾等級(jí)更高，但該鈾燃料“無(wú)法被用于邪惡目的，因此極大地降低了核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)，”USNC-Tech的工程總監(jiān)邁克爾·伊德斯說(shuō)。該公司的鈾燃料包含微小的鈾燃料顆粒，這些鈾燃料顆粒帶陶瓷涂層，分散在碳化鋯基體中。微囊結(jié)構(gòu)可以在困住放射性裂變副產(chǎn)物的同時(shí)，釋放出熱量。

弗吉尼亞州林奇堡的BWX Technologies也在與NASA合作，研究如何使用類似的陶瓷復(fù)合燃料，同時(shí)也在探索一種包裹在金屬基體中的替代燃料形式。該公司的高級(jí)技術(shù)部門總經(jīng)理喬·米勒說(shuō)：“自2017年以來(lái)，我們一直在研究核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)。”

兩家公司的設(shè)計(jì)均依賴于不同類型的緩和劑。緩和劑可以放緩裂變過(guò)程中產(chǎn)生高能量中子的速度，從而維持連鎖反應(yīng)，而不是任由中子撞擊和破壞反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)。

BWX將燃料塊散布在氫化物元素之間，而USNC-Tech的獨(dú)特設(shè)計(jì)則將鈹金屬緩和劑集成到燃料內(nèi)。伊德斯說(shuō)：“我們的燃料十分穩(wěn)定，可以耐受高溫氫和輻射條件，并且不會(huì)吞噬反應(yīng)堆內(nèi)的所有中子?！?/p>

普林斯頓等離子物理實(shí)驗(yàn)室

普林斯頓等離子物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家正在使用實(shí)驗(yàn)性反應(yīng)堆嘗試將聚變等離子體加熱到一百萬(wàn)攝氏度。

該實(shí)驗(yàn)室的研究人員塞繆爾·科恩說(shuō)，設(shè)計(jì)小型且安全的核動(dòng)力火箭，還有另一種思路：核聚變反應(yīng)堆。主線聚變使用氫的同位素——氘和氚燃料。但科恩正在嘗試制造一種新的反應(yīng)堆。該反應(yīng)堆依賴高溫等離子體中氘原子和氦-3的聚變反應(yīng)，這一反應(yīng)產(chǎn)生的中子數(shù)非常少。他說(shuō)：“我們不喜歡中子，因?yàn)樗鼈儠?huì)把鋼鐵等結(jié)構(gòu)材料變得像瑞士奶酪一樣，并且使其具有放射性。”普林斯頓實(shí)驗(yàn)室的概念設(shè)計(jì)叫做“直接聚變驅(qū)動(dòng)”（Direct Fusion Drive）。該設(shè)計(jì)相比傳統(tǒng)的聚變，需要的燃料也更少，設(shè)備大小也只有傳統(tǒng)設(shè)備的千分之一左右。

NASA的希伊說(shuō)，理論上，聚變推進(jìn)器在性能上遠(yuǎn)勝于裂變推進(jìn)器，因?yàn)榫圩兎磻?yīng)釋放的能量是后者的四倍多。但是，聚變推進(jìn)器這項(xiàng)技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟，同時(shí)也面臨不少挑戰(zhàn)，包括如何產(chǎn)生和控制等離子體，以及如何有效地將釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄏ驀娚渑艢狻ＯＲ琳f(shuō)：“至少在本世紀(jì)三十年代末期，這項(xiàng)技術(shù)還來(lái)不及用于火星任務(wù)?！?/p>

相比之下，USNC-Tech已經(jīng)基于其設(shè)計(jì)的新型燃料，制造了小型硬件原型。伊德斯說(shuō)：“我們有望實(shí)現(xiàn)的NASA的目標(biāo)，在2027年之前交付一半大小的演示系統(tǒng)，進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)?！痹摴镜南乱粋€(gè)目標(biāo)將是打造完整規(guī)模的火星飛行系統(tǒng)，并且有望在2035年的火星任務(wù)中投入使用。

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