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(fā)射場，搭載著 “毅力號”火星車的宇宙神 5 號運載火箭發(fā)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，尋覓形成于 35 億年前的火星古代微生物生命跡象。
回顧 2020 年，對于 NASA 來說，由核動力驅(qū)動的 “毅力號”火星車成功發(fā)射，絕對是一大歷史性航天事件。
而展望未來，NASA 對于火星的探索仍將繼續(xù)，新興的硬核技術(shù)也正在投資、催生當(dāng)中——NASA 宣布，將與商業(yè)公司共同研發(fā)核動力發(fā)動機，未來地球人研究甚至奔赴火星將會借助核的力量，而這一宏偉目標(biāo)會在 2035 年前實現(xiàn)。
何為核動力火箭?
建造核火箭的想法可追溯至 20 世紀(jì) 40 年代。
20 世紀(jì) 60 年代，NASA 和美國原子能委員會(即現(xiàn)在的美國能源部)開始了對核火箭的研究。不久后，隸屬于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(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
1972 年這一項目結(jié)束，但針對核火箭基本設(shè)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(xué)火箭——顧名思義，這類火箭所利用的是化學(xué)火箭發(fā)動機，即一種利用推進劑的化學(xué)能在燃燒室中進行化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生高溫、高壓燃氣，再產(chǎn)生反作用推力的裝置。
而核火箭的工作原理在于，利用核反應(yīng)或放射性物質(zhì)衰變釋放出的能量加熱工作介質(zhì)，工作介質(zhì)再通過噴管高速排出，從而產(chǎn)生推力，宇宙飛船得以高速飛行。
具體來講，核反應(yīng)釋放的能量可將液態(tài)氫加熱至 2430 攝氏度(核電站堆芯溫度的 8 倍)，同時推進劑會膨脹，并以驚人的速度噴射出來。
相比于化學(xué)火箭，核動力火箭每單位質(zhì)量的推進劑可產(chǎn)生兩倍推力，因此飛船將會大大提速，航行時間也更長。不管是土衛(wèi)六還是冥王星，當(dāng)?shù)竭_目的地后，核反應(yīng)堆的角色將會從推進系統(tǒng)轉(zhuǎn)便為動力源，保證航天器在長達數(shù)年的時間內(nèi)發(fā)回高質(zhì)量數(shù)據(jù)。
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(wǎng)對「核熱推進」進行了一次簡單的 Q&A 科普。
根據(jù)介紹，「核熱推進」有以下幾大特點：
比化學(xué)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(chǎn)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(fā)射窗口期增長;不依賴于軌道排列;必要時宇航員可中止任務(wù)并返回地球。
此外，還存在另外一種系統(tǒng)：「核電推進」(Nuclear Electric Propulsion)，其工作原理是利用大功率核裂變反應(yīng)堆發(fā)電，將核能轉(zhuǎn)為電能。據(jù)了解，核電推進質(zhì)量效率相當(dāng)之高，約為核熱推進的 3 倍。
這類系統(tǒng)最為常見的例子包括我們熟知的采用核動力設(shè)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(wù)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器 MMRTG」由美國能源部提供，主要是利用钚 238 原子核衰變釋放的熱量來產(chǎn)生 110 瓦的電能。
自然，核動力有著無可比擬的優(yōu)勢，但也存在著不小的隱患，尤其是核輻射對航天員健康可能造成的威脅。
這里引用百度百科的一組數(shù)據(jù)：
核火箭 / 飛船內(nèi)的輻射量相當(dāng)于航天員每天做 8 次胸透，長期的輻射會對航天員的身體造成嚴重傷害。航天員返回地面后，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(xué)博爾德分校航空航天工程科學(xué)專業(yè)教授 Iain Boyd 曾在一篇文章中寫道：
1970 年代，美國法規(guī)要求所有核太空項目都要經(jīng)過多層政府機構(gòu)的審查和總統(tǒng)批準(zhǔn)，而核火箭研究的資金非常短缺，直至 2019 年 NASA 獲得了用于發(fā)展核熱推進的 1 億美元研發(fā)費用。
可以說，為星際旅行開發(fā)核動力火箭前路漫漫，除了技術(shù)難題，成本也是一大挑戰(zhàn)。
盡管如此，在 NASA 看來，以核裂變或核聚變?yōu)閯恿Φ幕鸺允俏磥硖栂德眯械氖走x方式。
IEEE Spectrum 雜志也曾這樣寫道：
盡管在地球上，核反應(yīng)堆有著諸多爭議，但它產(chǎn)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(jù)了解，核動力發(fā)動機只能用于星際旅行，不能在地球大氣層中使用。也就是說，化學(xué)能燃料火箭先將飛船發(fā)射、助推出近地軌道，接著核推進系統(tǒng)才會啟動。
為實現(xiàn)這一目標(biāo)，關(guān)鍵在于設(shè)計出安全、輕便的核發(fā)動機，而設(shè)計新燃料和反應(yīng)堆似乎可以勝任這項任務(wù)，畢竟核發(fā)動機對燃料的要求是：必須要承受超高的溫度和核熱機內(nèi)部的不穩(wěn)定因素。
就像 NASA 空間技術(shù)任務(wù)理事會首席工程師 Jeff Sheehy 所說：
如果想要盡快奔赴火星并返回，核動力推進系統(tǒng)可以派上用場，而需要改進的一項關(guān)鍵技術(shù)就是燃料。
為此，NASA 正在與商業(yè)公司合作，為未來可能的核動力載人太空任務(wù)做努力。目前已有兩家公司表示，他們的燃料對于一個安全、高性能的反應(yīng)堆來說足夠靠譜。甚至于其中一家公司已經(jīng)向 NASA 提交了詳細的計劃書。
這兩家公司，一是總部位于西雅圖的超安全核技術(shù)公司(Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies，USNC-Tech)，二是總部位于弗吉尼亞州林奇堡的 BWX 技術(shù)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(yè)發(fā)電廠的低濃縮鈾燃料使用起來會更安全，但在酷熱的溫度下，在極具活性的氫的化學(xué)攻擊下，它們會變得脆弱并分解。不過，USNC-Tech 使用的鈾燃料濃度低于 20%，含有分散在碳化鋯基體中的微小陶瓷涂層鈾燃料顆粒，通過放射性裂變熱量逸出。
USNC-Tech 工程總監(jiān) Michael Eades 表示，這一濃度比動力反應(yīng)堆的濃度高，但不能用于一些邪惡目的，因此極大地降低了核擴散的風(fēng)險。
另一家 BWX 技術(shù)公司也在研究類似的陶瓷復(fù)合燃料的設(shè)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(shù)部門總經(jīng)理 Joe Miller 表示，自 2017 年以來，該公司就已開始研究反應(yīng)堆設(shè)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(qū)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制造一種依賴于在高溫等離子體中氘原子和氦 - 3 之間的聚變反應(yīng)堆，這種聚變產(chǎn)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(tǒng)的聚變，這種方式需要的燃料更少，而且設(shè)備也只有傳統(tǒng)聚變的千分之一大。
普林斯頓等離子體物理實驗室科學(xué)家 Samuel Cohen 表示：
通往小型、安全的核動力火箭，核聚變反應(yīng)堆是另一條路。我們不喜歡中子，它們就像是把鋼鐵等結(jié)構(gòu)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(yīng)釋放的能量高達核聚變的 4 倍。然而這一技術(shù)還不成熟，還面臨著幾大挑戰(zhàn)，包括生成等離子體、將釋放的能量轉(zhuǎn)化為直接噴射廢氣等等。Jeff Sheehy 表示：
在 21 世紀(jì) 30 年代末之前，這項技術(shù)不可能用于火星任務(wù)。
不過 NASA 及合作伙伴也在一點點趕進度，比如 USNC-Tech 已經(jīng)基于其新燃料制造了小型硬件原型。USNC-Tech 官方表示，趕在 2027 年之前，將會有一個演示系統(tǒng)發(fā)射，隨后將建立一個全面的火星飛行系統(tǒng)，更好地推動 2035 年的火星任務(wù)。
核火箭未來將如何發(fā)展，我們拭目以待。
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