[科普中国]-核动力火箭

早在20世纪初，得知居里夫妇提炼出放射性元素镭之后，俄国航天之父齐奥尔科夫斯基就预言：“一吨重的火箭只要用一小撮镭，就足以挣断与太阳系的一切引力联系。”1

据国外媒体报道，太空旅行对人类而言依然是遥不可及的领域，需要很长的时间进行空间飞行，并且还需要大量的燃料来驱动飞船，但是科学家提出了一种“短途”空间旅行方案：只需要30天就能完成一次火星之旅。如何实现持续时间较短的太空旅行是一个令人兴奋的研究课题，比如可以使用核聚变火箭技术可以产生强大的能量供应，不仅可以用于驱动飞船前进和减速，还可以供应飞船上的电力消耗等，完成一次火星之旅仅仅需要一个月的时间。2

化学能火箭是目前使用非常广泛的入轨运载工具，比如使用氢氧机产生较大的推力，推动火箭升空，长征五号火箭上就将使用50吨级的YF-77氢氧机，已经完成了500秒长程试验。这种能量推进方式较为成熟，配合更大推力的液氧煤油发动机可完成近地轨道大部分的运载任务，但是化学火箭质量太大，以土星五号为例，起飞质量达到3000吨左右，与一艘现代护卫舰吨位相当，也只有这一级别的火箭才能胜任登月任务。由此看来，在不远将来有望实现的要数核动力火箭，目前多家科研机构正在研发太空核聚变技术，只需要短时间的工作就能获得强大的能量，并使飞船以高速进行飞行。

科学家还提出了一项新型核动力飞船，通过小当量的核爆产生核脉冲推力，美国宇航局曾经研究过这种空间推进技术，但由于禁止核试条约出台后就中止了研究。类似的想法后来被代达罗斯计划借鉴，该飞船也试图通过巨大的核聚变装置来驱动飞船，科学家还希望星际航行的飞船速度能达到7%的光速，该想法如果要实现，需要大量的资金投入，而且技术上还面临许多瓶颈。

美国宇航局的创新先进概念计划也试图打造核动力火箭，但是它的规模要比代达罗斯计划要小很多，科学家认为这样的飞船是可实现的，预计今年将进行部分系统测试，通过磁场来约束等离子体行为，如果试验获得成功，最终将被应用到第一代星际航行的飞船上，足以满足我们对太阳系各个角落的探索任务。2

常见的核裂变技术发动机包括核脉冲火箭、核电火箭、核热火箭以及核冲压火箭等，以核热火箭为例，其反应堆结构比陆基核电站的规模要小很多，铀-235的纯度要求更高，达到90%以上，在高比冲要求下，发动机核心温度将达到3000K左右，需要耐高温性能极佳的材料。核动力技术用于太空环境时，也会面临核辐射的危险，如果克服这些困难，那么在核聚变发动机无法实现的前提下，核裂变发动机技术也能为太阳系内的探索服务，甚至可进行无人飞船恒星际之旅，可带来强大续航力，这是传统化学能发动机所不能比拟的。

美国航空航天局官员表示，以核能驱动的火箭是人类从事太空探索的最佳运载工具。在第36届推进器研讨年会上，数十份会议文件提到了使用热核火箭作为推进器的构想。宇航专家认为，核动力火箭发射一次，可以一举探索月球、火星和地球周边的小行星。新一代热核火箭的安全系数已大大提高。试射场所从露天转移到地下洞穴，让核废物被硅藻土层吸收。或者借鉴美国海军试验潜艇核反应堆的做法，让核动力火箭穿过一整套过滤系统，先吸收掉诸如氙等核裂变产生的物质，再用化学方法焚烧已经失去辐射能量的氢废料，进行安全处理。为了确保万无一失，在核动力火箭试射之前，会先用电子加热装置代替核反应堆试验多次。鉴于俄罗斯在利用放射性元素衰变产生的能量发电上的丰富经验，还积攒了大量核燃料，所以俄罗斯有可能被邀请参加核动力火箭的研制工作。

有关专家已一再强调，火箭在发射时绝对不会泄漏任何放射性物质。新式核动力火箭的另一特色是，把推力降低到15000磅，以便节约发射成本。这样的火箭虽然爆发力稍差，耐力却更持久。一些部件还能借鉴以往的研究成果，进一步缩短开发时间。如果美国公众对核动力火箭持宽容态度，航空航天局估计用不了十年就能让它们上天。3

美国宇航局的科学家目前正在研究新型核聚变动力，2030年的火星载人登陆计划中将会使用到这一革命性动力可极大缩短空间飞行的时间，

核聚变技术目前依然无法作为宇宙飞船的动力，但是科学家认为核聚变技术并不是幻想，可控核聚变在不久的将来就会出现。将宇航员送上一艘前往火星的超高速飞船是完全可以做到的，目前核聚变技术驱动火箭的原理已经在实验室进行了验证，这样的动力系统很可能在短短的90天之内完成飞往火星这颗红色星球的旅程。空间推进公司MSNW的技术人员人员安东尼认为：在9月25日与美国宇航局未来太空工作组的演示过程中，实验室的研究人员获得了对核聚变技术的相关成果。4

一趟往返的火星之旅大约需要500天左右，根据轨道的不同需要的时间也会出现变化，我们目前使用的是传统的推进系统，宇航员需要在宇宙深空中暴露数百天的时间，来自太阳或者宇宙深空的射线都会对宇航员健康构成威胁，长时间的空间飞行会使得骨骼和肌肉出现萎缩、机能降低。美国宇航局目前正在发展新一代的推进系统显然传统的化学能火箭无法满足深空飞行的需要，这项新的推进系统需要在2030年中期投入使用，执行前往火星的载人计划，首席为华盛顿大学的研究人员约翰·斯劳。

NASA创新先进概念计划的研究人员同时也在设计一个潜在的载人火星登陆轨道，只需要210天的时间，相比较于500天的空间飞行时间已经是大大缩短了，时间分配为83天为前往火星、30天时间为停留在火星表面进行考察、剩余的97天时间为返回地球。

这样的空间飞行需要全新的动力系统，核聚变装置是目前较为可行的方案之一，可以提供强大的能量来源，美国宇航局的未来太空发射系统可以将这一系统发射至地球轨道，也可以通过多次发射在轨道上组装起一艘大型宇宙飞船。按照科学家的设想，我们还需要在飞船上安装太阳能电池板，可以为飞船上的人员提供必要的电力供应，斯劳和他的团队正在建设核聚变反应堆的硬件并进行实验，他们希望在2014年的某个时候能进行一次实验，使得这项新型宇航动力研究计划可以达到一个新的里程碑。4