NASA“毅力号”火星车将在2035年前实现实现

北京时间2020年7月30日19时50分，搭载“毅力号”火星车的阿特拉斯5号运载火箭从卡纳维拉尔角空军基地41号发射场发射升空。

根据美国宇航局的计划，“恒心”号火星车将在大约 20 天后登陆火星，寻找火星上形成 35 亿年前的远古微生物生命的迹象。

回首 2020 年，毅力号核动力探测器的成功发射，对于 NASA 来说绝对是一次历史性的航天盛事。

展望未来，NASA 对火星的探索还将继续，新兴的硬核技术也在不断投入和催生——NASA 宣布将与商业公司合作开发核动力发动机。它将使用核能，这一雄心勃勃的目标将在 2035 年实现。

什么是核动力火箭？

制造核火箭的想法可以追溯到 1940 年代。

在 1960 年代，NASA 和美国原子能委员会（现为美国能源部）开始研究核火箭。不久之后，隶属于美国能源部的洛斯阿拉莫斯国家实验室成功建造并测试了多枚核火箭，这也为美国的核火箭设计奠定了基础。

该项目于 1972 年结束，但对核火箭的基本设计、材料和燃料的研究仍在继续。但不可否认的是，目前的主流仍然是化学火箭——顾名思义，这些火箭使用化学火箭发动机，即利用燃烧室中推进剂的化学能产生高温、高强度的化学反应。压力气体，然后产生抵消推力的装置。

核火箭的工作原理是利用核反应释放的能量或放射性物质的衰变对工作介质进行加热，然后工作介质通过喷管高速排出，从而产生推力，而且飞船可以高速飞行。

具体来说，核反应释放的能量可以将液态氢加热到 2430 摄氏度（是核电站核心温度的 8 倍），同时推进剂膨胀并以惊人的速度喷出。

与化学火箭相比，核动力火箭每单位质量的推进剂可以产生两倍的推力，因此航天器的速度将明显更快，行程更长。无论是土卫六还是冥王星，当它到达目的地时，核反应堆的作用将从推进系统转变为动力源，确保航天器多年来传回高质量的数据。

上述过程有一个正式名称：“核热推进”。

2020年1月21日，美国能源部核能办公室在其官网就“核热推进”进行了简单问答。

据介绍，“核热推进”具有以下特点：

此外，还有另外一个系统：“核电推进”（Nuclear Electric Propulsion），它通过使用大功率核裂变反应堆发电，将核能转化为电能。据了解，核电推进的质量效率相当高，约为核热推进的3倍。

此类系统最常见的例子包括著名的核动力 NASA Curiosity 和 Perseverance 漫游车。以“毅力号”为例，其核动力源“多任务放射性同位素热电发电机MMRTG”由美国能源部提供，主要利用钚238原子核衰变释放的热量产生110瓦的电力。

自然，核电具有无可比拟的优势，但也存在诸多隐患，尤其是核辐射可能对航天员的健康构成威胁。

此处引用百度百科的一组数据：

核火箭/宇宙飞船的辐射量相当于宇航员每天进行 8 次胸部 X 光检查。长期的辐射会对宇航员的身体造成严重的伤害。宇航员返回地面后，肌肉质量通常会减少 30%，骨密度也会降低。

核电核燃料火箭，宇宙探索的未来

科罗拉多大学博尔德分校航空工程科学教授 Iain Boyd 在一篇文章中写道：

在 1970 年代，美国法规要求所有核太空计划都要经过多层政府机构的审查和总统批准，直到 2019 年美国宇航局获得 1 亿美元用于开发核热推进美元研发费用，核火箭研究一直资金不足。

可以说，研制星际旅行的核动力火箭任重而道远。除了技术难点，成本也是一大挑战。

尽管如此，根据 NASA 的说法，由核裂变或核聚变驱动的火箭仍然是未来前往太阳系的首选方式。

IEEE Spectrum 杂志也写道：

尽管在地球上存在诸多争议，但核反应堆产生的能量和推进力足以让大型航天器快速到达火星及更远的地方。

据了解，核动力发动机只能用于星际旅行，不能用于地球大气层。也就是说，以化学能为燃料的火箭首先将航天器发射出去，帮助其脱离近地轨道，然后启动核动力系统。

要实现这一目标，关键是要设计出安全轻便的核发动机，而新燃料和反应堆的设计似乎可以胜任。毕竟，核发动机需要的燃料必须能够承受核热机内部的极高温度和不稳定因素。

正如 NASA 空间技术任务理事会总工程师 Jeff Sheehy 所说：

如果您想尽快到达火星并返回，核推进系统可以派上用场，而燃料是一项需要改进的关键技术。

为此，NASA 正在与商业公司合作开展未来可能的核动力载人太空任务。两家公司表示，他们的燃料足够可靠，可用于安全、高性能的反应堆。甚至其中一家公司也向 NASA 提交了一份详细的提案。

这两家公司，Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies (USNC-Tech)，总部位于西雅图，BWX Technologies，总部位于弗吉尼亚州林奇堡。

一般来说，火箭需要武器级的高浓铀来获得足够的推力——而来自商业发电厂的低浓铀燃料使用起来更安全，它在极端高温下具有极强的反应性，在氢气的化学攻击下，它们会变得脆弱和分解。然而，USNC-Tech 使用的铀燃料的浓度低于 20%，并且含有微小的陶瓷涂层铀燃料颗粒，分散在碳化锆基质中，通过放射性裂变的热量逸出。

USNC-Tech 工程总监 Michael Eades 表示，这种浓度高于动力反应堆，但不能用于某些邪恶目的，从而大大降低了核扩散的风险。

另一家 BWX Technologies 公司也在研究类似的陶瓷复合燃料设计，此外还有一种封装在金属基体中的替代燃料形式。 BWX 先进技术部门总经理乔·米勒表示，该公司自 2017 年以来一直致力于反应堆设计。

与此同时，美国能源部的国家实验室普林斯顿等离子体物理实验室也在试验一种名为“直接聚变驱动”的概念。

实际上，主流核聚变使用氚燃料，但普林斯顿等离子体物理实验室正在努力建造一个反应堆，该反应堆依赖于高温等离子体中氘原子和氦 3 之间的聚变。产生的少数中子可以将聚变等离子体加热到 100 万摄氏度。总之，与传统聚变相比，这种方法需要的燃料更少，设备体积仅为传统聚变的千分之一。

普林斯顿等离子体物理实验室的科学家塞缪尔·科恩说：

聚变反应堆是制造小型、安全的核动力火箭的另一种方式。我们不喜欢中子，它们会将钢铁等结构变成放射性奶酪。

理论上，聚变推进的性能远远优于裂变推进，因为聚变反应释放的能量是核聚变的 4 倍。然而，该技术仍不成熟核燃料火箭，并面临多项挑战，包括产生等离子体、将释放的能量转化为直接喷射废气等。 Jeff Sheehy 说：

在 2030 年代后期之前，这项技术不太可能用于火星任务。

但 NASA 及其合作伙伴正在迎头赶上，例如 USNC-Tech，它基于其新燃料构建了一个小型硬件原型。 USNC-Tech官员表示，将在2027年之前进行示范系统发射，随后建立全尺寸火星飞行系统，以更好地推进2035年的火星任务。

我们将拭目以待，看看未来核火箭会如何发展。