NASA热核推进系统有望将火星旅行时间缩短一半

作者：Dan Kotlyar，佐治亚理工学院核与辐射工程系副教授。改编自最初发表于 The Conversation 的一篇文章。

美国国家航空航天局（NASA）的目标是在 2027 年之前展示一种核热推进系统，利用核裂变实现更高效的太空旅行，从而将火星旅行时间缩短一半。 资料来源：美国国家航空航天局

探索火星： 美国国家航空航天局的下一个前沿

美国国家航空航天局（NASA）计划在未来十年内向火星派出载人飞行任务。 然而，使用传统的化学火箭燃料前往这颗红色星球的1.4亿英里（2.25亿公里）旅程来回可能需要几个月到几年的时间。

为了缩短这一漫长的运输时间，NASA 正在探索一种名为核热推进的替代方案。 这项创新技术利用核裂变为火箭提供动力，可将前往火星的时间缩短一半。

核裂变是指利用中子分裂原子时释放出的巨大能量。 这种反应被称为裂变反应。 裂变技术已在发电和核动力潜艇中得到广泛应用，将其用于驱动火箭或为火箭提供动力，有朝一日将为美国国家航空航天局（NASA）提供更快、更强大的化学驱动火箭替代品。

NASA 和美国国防部高级研究计划局正在联合开发 NTP 技术。 他们计划于 2027 年在太空部署并演示原型系统的能力--有可能使其成为美国建造和运行的首批同类系统之一。

艺术家设计的低地球轨道双模核热火箭。 核动力火箭有朝一日可以实现更快的太空旅行。 资料来源：美国国家航空航天局

有朝一日，核热推进也能为可操控的太空平台提供动力，从而保护地球轨道内外的美国卫星。 但这项技术仍处于开发阶段。

我是佐治亚理工学院核工程副教授，其研究小组建立模型和模拟，以改进和优化核热推进系统的设计。 我希望并热衷于协助设计核热推进发动机，使载人火星任务能够顺利进行。

传统的化学推进系统使用轻推进剂（如氢）和氧化剂的化学反应。 当两者混合在一起时，会发生点火，从而使推进剂迅速从喷嘴喷出，推动火箭前进。

科学家和工程师们正在研究核热推进系统，该系统将采用氢推进剂，将其泵入核反应堆以产生能量，然后将推进剂排出喷嘴，使火箭升空。 资料来源：美国国家航空航天局格伦研究中心

这些系统不需要任何点火系统，因此非常可靠。 但这些火箭必须携带氧气进入太空，这可能会使其重量增加。 与化学推进系统不同，核热推进系统依靠核裂变反应来加热推进剂，然后将推进剂从喷嘴中排出，产生驱动力或推力。

在许多裂变反应中，研究人员将一个中子送向较轻的铀同位素，铀-235。 铀吸收中子，生成铀-236。 然后，铀-236 分裂成两个碎片--裂变产物--反应释放出一些各种粒子。

目前，全世界有 400 多座运行中的核能反应堆采用了核裂变技术。 这些运行中的核能反应堆大多是轻水反应堆。 这些裂变反应堆用水来减缓中子的速度，并吸收和传递热量。 水可以直接在堆芯或蒸汽发生器中产生蒸汽，从而驱动涡轮机发电。

核热推进系统以类似的方式运行，但它们使用的是铀-235含量更高的不同核燃料。 它们的运行温度也要高得多，这使得它们的功率非常强大，结构也非常紧凑。 核热推进系统的功率密度大约是传统轻水反应堆的 10 倍。

由于一些原因，核推进可能比化学推进更胜一筹。核推进可以从发动机喷嘴中快速喷出推进剂，产生 大推力。 这种大推力可使火箭加速更快。

这些系统的比冲也很高。 比冲衡量推进剂产生推力的效率。 核热推进系统的比冲大约是化学火箭的两倍，这意味着它们可以将飞行时间缩短 2 倍。

DRACO 计划： 太空探索的先驱

几十年来，美国政府一直在资助核热推进技术的开发。 1955 年至 1973 年间，美国国家航空航天局、通用电气和阿尔贡国家实验室的项目生产并地面测试了 20 台核热推进发动机。

然而，1973 年以前的这些设计依赖于高浓缩铀燃料。 这种燃料已不再使用，因为它存在扩散危险，或与核材料和核技术扩散有关的危险。

能源部和国家核安全局发起的全球减少威胁倡议旨在将许多使用高浓铀燃料的研究反应堆转换为高分析低浓铀燃料。

与高浓缩铀燃料相比，高分析低浓缩铀燃料中能够发生裂变反应的物质较少。 因此，火箭需要装载更多的高浓缩铀燃料，这使得发动机更重。 为了解决这个问题，研究人员正在研究能在这些反应堆中更有效地利用燃料的特殊材料。

核推进的挑战与发展

NASA 和 DARPA 的"敏捷半月运行演示火箭"（或 DRACO）计划在其核热推进发动机中使用这种高分析、低浓缩铀燃料。 该计划计划于 2027 年发射火箭。

作为 DRACO 计划的一部分，航空航天公司洛克希德-马丁（Lockheed Martin）与 BWX Technologies 合作开发反应堆和燃料设计。

这些集团正在开发的核热推进发动机需要符合特定的性能和安全标准。 它们需要有一个能在任务期间运行的核心，并能执行快速火星之旅的必要机动。

理想情况下，发动机应能产生高比冲力，同时满足高推力和低发动机质量的要求。

为太空效率和安全而创新

在工程师设计出满足所有这些标准的发动机之前，他们需要从模型和模拟开始。 这些模型可以帮助研究人员（比如我所在小组的研究人员）了解发动机如何处理启动和关闭。 这些操作需要快速、巨大的温度和压力变化。

核热推进发动机将有别于现有的所有裂变动力系统，因此工程师们需要构建与这种新型发动机配合使用的软件工具。

我所在的小组利用模型设计和分析核热推进反应堆。 我们对这些复杂的反应堆系统进行建模，以了解温度变化等因素对反应堆和火箭安全的影响。 然而，模拟这些影响需要大量昂贵的计算能力。

我们一直在努力开发新的计算工具，以模拟这些反应堆在启动和运行时是如何动作的，而不需要使用那么多的计算能力。我和我的同事希望这项研究有朝一日能够帮助开发出能够自主控制火箭的模型。