核发动机只用于星际旅行而不在地球大气层中使用

NASA 押注太空工程的未来：另见核动力火箭

大数据文摘 2021-01-04 17:01

编译 | 周熙源 | 大数据文摘（ID：BigDataDigest）

虽然核反应堆在地球上引起了很多争议，但它们可以产生所需的能量和推进力，让大型航天器在需要时快速更远地到达火星。

核火箭发动机的想法可以追溯到 1940 年代。不过，这一次，由核裂变和核聚变驱动的星际任务计划得到了更有可能将火箭升空的新设计的支持。

重要的是，核发动机仅用于星际旅行，而不是用于地球大气层。化学火箭将宇宙飞船发射到近地轨道之外。只有这样，核推进系统才会被激活。

现在的挑战是如何使这些核发动机既安全又轻便。新的燃料和反应堆设计似乎可以胜任这项任务，因为美国宇航局现在正与工业合作伙伴合作开展未来可能的核动力载人太空任务。

“如果你想去火星并在两年内回来，核推进将是更好的选择，”美国宇航局空间技术任务理事会总工程师杰夫希伊说。技术就是燃料。”

具体而言，燃料需要承受核热机内的超高温和挥发性条件。两家公司现在表示，他们的燃料足够可靠，可用于安全、紧凑、高性能的反应堆。并且，其中一家公司已向 NASA 提交了详细的概念设计。

核热推进利用核反应释放的能量将液态氢加热到大约 2,430°C——大约是核电站核心温度的八倍。推进剂膨胀并以极快的速度从喷嘴喷出。每单位质量推进剂的推力是化学火箭的两倍，这使得核动力航天器能够飞行得更长、更快。此外，一旦到达目的地，无论是土星的卫星泰坦还是冥王星，核反应堆都可以从推进系统切换到电源，从而使航天器能够在未来几年内传回高质量的数据。

过去，为了获得足够的核火箭推力，需要武器级的高浓缩铀。商业发电厂使用的低浓缩铀燃料使用起来相对安全，但在高活性氢的热和化学攻击下会变得脆弱和分解。

超安全核公司技术 (USNC-Tech) 使用的铀燃料浓缩度低至 20%核燃料火箭，高于核电站，工程总监迈克尔·伊德斯说：“但它不能转移到其他地方，它是唯一的显着降低扩散风险的方法。” 该公司的燃料由分散在碳化锆基质中的微观陶瓷涂层铀燃料颗粒组成。微胶囊将放射性裂变副产物保持在内部，同时允许热量逸出。

总部位于弗吉尼亚州林奇堡的 BWX Technologies 根据美国宇航局的合同，正在研究使用类似陶瓷复合燃料的设计，以及包裹在金属基体中的替代形式的燃料。“自 2017 年以来，我们一直致力于反应堆设计，”该公司高科技集团总经理乔·米勒 (Joe Miller) 说。

两家公司的设计都依赖于不同类型的监管机构。中子剂减缓裂变过程中产生的高能中子，使其能够维持连锁反应，而不是冲击和损坏反应堆结构。BWX 将其燃料块散布在氢化物元素之间，而 USNC-Tech 的独特设计将铍金属改性剂集成到燃料中。“我们的燃料保持完好，可以在高温氢气和辐射条件下生存，而不会耗尽反应堆中的所有中子，”Eades 说。

普林斯顿等离子体物理实验室的科学家们正在使用这个实验反应堆将聚变等离子体加热到 100 万摄氏度。开发用于星际旅行的聚变动力火箭是一段漫长的旅程，科学家们正在为此努力。

普林斯顿等离子体物理实验室的塞缪尔·科恩说：“还有另一种方法可以制造小型、安全的核动力火箭：核聚变反应堆。主线聚变使用氘和氚燃料，但科恩正在努力制造一种依赖氘原子的装置。 . 一个在高温等离子体中聚变氦3的反应堆，它产生的中子很少。我们不喜欢中子，因为中子可以将钢铁等结构材料变成更像瑞士奶酪的东西核燃料火箭，并且可以使其具有放射性。普林斯顿实验室的概念，称为直接聚变驱动，与传统聚变相比，所需燃料也少得多，而且该装置的尺寸可能只有千分之一。”

美国宇航局的希伊说：“理论上，聚变推进器的性能可能远远优于裂变推进器，因为前一种反应释放的能量是后者的四倍。然而，这项技术还不够成熟，面临挑战。其中一些挑战包括产生和容纳等离子体，并有效地将释放的能量转化为定向喷射的废气。它还没有为 2030 年代后期的火星任务做好准备。”

相比之下，USNC-Tech 基于其新燃料制造了小型硬件原型。“我们有望实现 NASA 的目标，即到 2027 年准备好半规模的演示系统，”Eades 说。“下一步将是建立一个全面的火星飞行系统，可以很好地推进 2035 年的任务。火星任务。”