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關注丨核能的太空之路

自從馬斯克的SpaceX接連不斷取得成功后,全世界范圍內的航天創業者們的熱情紛紛被調動起來了。據不完全統計,僅僅在中國就已經有超過20家的民營商業火箭公司注冊成立,涉及商業航天的企業更是早已超過百家。


 

不過,在慶幸有更多人紛紛抬頭關注星空的同時,我們也需要認識到,以商業目的為導向的航天創業潮給整個航天工業帶來更多是全產業鏈增效減價,至于能否帶來整個航天技術范式的變革還需要留個問號。

 

的確,在如今的航天工業領域,模塊化、批量化、快速迭代以及大量使用商業化組件等理念已經成為共識。但就在火箭動力選擇這一觸及航天工業最根本的問題上,商業航天帶來的也僅僅是使過去未曾受到重視的甲烷系發動機有了“第二春”,其效率仍沒有較現有發動機的能力有質的飛躍。

 

以火星探測為例,之所以每隔兩年多的時間才會出現一個所謂的“最佳時間窗口”,就是因為地火之間的近距離約為5,500萬公里,最遠距離則超過4億公里。需要等到兩者之間距離較近時進行發射,本質是以時間換空間的無奈之舉。但即便這樣,在現有化學動力發動機的條件下,離開地球的航天器也需要6個月左右的時間才能到達環繞火星的軌道。

 

因此,幾十年來,許多火箭科學家都把以核反應堆為動力的推進系統視作下一代的高效航天動力,期望其能驅動各類航天器更快地到達火星和太陽系的其他地方。

 

核能初嘗試

 

二戰后,納粹德國知名火箭工程師馮·布勞恩(Wernher von Braun)投奔美國。在與蘇聯進行太空競賽的過程中,他的土星五號火箭首次將人類送上月球,不僅一舉扭轉美國在競爭中的劣勢地位,更是直接為NASA接下來幾十年的輝煌打下根基。

 

不過,早在阿波羅工程之前,馮·布勞恩就已經認識到了核能推進的潛力。最終,還催生出了一個名為“核動力火箭發動機應用”(Nuclear Engine for Rocket Vehicle ApplicationNERVA) 的項目。


 

NERVA是一項核熱火箭發動機研制計劃,大約持續了20年。其主要目標是“建立核火箭發動機系統的技術基礎,用于設計和開發太空任務應用的推進系統。”該計劃是由美國原子能委員會(AEC)和美國國家航空航天局(NASA)合作的產物,由空間核推進辦公室(SNPO)管理,直到19731月該計劃結束。

 

 NERVA起源于“流浪者計劃”(Project Rover),這是一個AEC在洛斯阿拉莫斯科學實驗室(LASL)開展的研究項目,最初的目的是為美國空軍的洲際彈道導彈提供核動力末級。

 

1958NASA成立后,“流浪者計劃”作為一個民用項目繼續進行,并調整方向,為NASA的土星五號火箭生產核動力末級。反應堆在被運往內華達州試驗場的Jackass Flats之前,以極低的功率進行了測試。而LASL則專注于反應堆的開發,NASA制造并測試了完整的火箭發動機。

 

 AECSNPONASA認為NERVA是一個非常成功的方案,因為它達到或超過了方案預期目標。核熱火箭發動機證明了核熱火箭發動機是一種可行的、可靠的太空探索工具,1968年底,SNPO證明最新的核熱火箭發動機XE符合人類火星任務的要求。

 

甚至NASA還對NERVA制定了宏遠的規劃,包括1978年前訪問火星,1981年前建立永久的月球基地,以及對木星、土星和外星球的深空探測。此外,NERVA火箭將用于核“拖船”的一個組成部分,將有效載荷從近地軌道(LEO)帶到較高的軌道上,為繞地和繞月的幾個空間站提供補給,并支持一個永久性的月球基地。

 

雖然出于環保的考慮,NERVA發動機的制造和測試都盡量采用經過飛行認證的部件,而且發動機被認為可以集成到航天器上,但NASA還是宣布終止NERVA。經過17年的研發,NERVA項目已經花費了約14億美元,可惜直至被尼克松總統取消前,它們從未在太空中飛行過。

 

不過,NERVA計劃的終結不意味著太空核能的末日。考慮到核能相較于化學動力的高比沖優勢,深空探索計劃一般都會想起核火箭發動機,所有以核火箭發動機為特色的航天器概念也都使用NERVA的衍生設計。

 

 1983年,美國知名的“星球大戰”計劃確定了一些只能由比化學火箭更強大的火箭來承擔的任務。19832月,一個名為SP-100的核推進項目成立,目的是開發100KW的核火箭系統。從1987年到1991年,該項目得到了1.39億美元的資助。

 

199110月,該項目轉入空軍菲利普斯實驗室的空間核熱推進(SNTP)計劃。但NASA后認為SNTPNERVA相比沒有足夠的改進,而且也不是任何太空探索計劃任務所需要的。于是,在花費了2億美元后,SNTP計劃于19941月終止。

 

2013年,NASA的馬歇爾航天中心(MSFC)研究了一種從地球軌道到火星軌道再返回地球的星際旅行發動機,重點研究了核熱火箭(NTR)發動機,由于NTR的效率至少是最先進的化學發動機的兩倍,因此可以以更短的軌道轉移時間運送更多的貨物。

 

在地球前往火星的旅程中,與使用化學發動機的8-9個月相比,使用NTR發動機的飛行時間更短,估計為3-4個月。2019522日,美國國會批準了1.25億美元的資金,用于開發核熱推進火箭。

 

太空核動力駛入快車道

 

今年515日,通過預征詢,美國國防高級研究計劃局(DARPA)宣布,他們打算實現一個可飛行的核熱推進系統,并在2025年前進行演示。

 

這項名為“地月間敏捷火箭行動演示”(Demonstration Rocket for Agile Cislunar OperationsDRACO)的計劃力求在太空軌道上演示核熱推進系統(NTP)。

 



NTP使用核反應堆將推進劑加熱到極高溫度,然后將熱推進劑通過噴嘴排出,產生推力。與傳統的太空推進技術相比,NTP的推重比約為電推進的1萬倍,比化學推進的比沖高2-5倍。

 

該計劃的第一階段預計將持續18個月,包括兩個軌道。A軌將需要對NTP反應堆進行基線設計,包括對推進子系統進行概念設計審查(CoDR)和子系統要求審查(SuRR),最后對推進子系統的反應堆進行基線設計審查(BDR)。

 

B軌道將需要設計一個操作系統(OS)航天器概念,以滿足國防部的任務目標,并設計一個演示系統(DS)航天器概念。B軌將包括OSDS的概念設計審查(CoDR)和系統需求審查(SRR),以及最后的DS技術成熟計劃審查(TMPR)

 

通過這項DRACO計劃,美國國防部將開發出一些列技術,以實現對地球軌道、月球軌道以及介于兩者之間的任何地方的航天器進行更靈敏的控制,使軍隊在這些領域有更大的作戰自由度。

 

 “預計未來幾年,地月空間的活動將大大增加,”DRACO項目經理Maj Nathan Greiner在接受采訪時說。“敏捷的核熱推進器使美國能夠提高在這一廣闊空間內保持活動的意識。”

 

在其第一階段招標中,DARPA要求工業界設計一個核熱反應堆和一個用于演示核熱反應堆的實用航天器。該方案的這一初始階段將持續18個月。隨后的階段將進行詳細的設計、制造、地面試驗和空間演示。DARPA目前還沒有授予合同,授予價值將由工業界提交的材料決定。

 

通過DRACO計劃,美國國防部有可能實現在地月空間快速移動大型衛星。例如,將一顆4噸重的衛星從A點移動到B點,用太陽能電力推進可能需要6個月左右的時間,而用核熱推進只需幾個小時就可以完成。

 

要想將這項技術用于火星任務,NASA可能需要一個推力更大的系統。但在開發這項技術方面,由DARPA帶路,證明有很多共用的技術,并在太空中演示核發動機的操作,對NASA以后的發展有好處。所以,雖然五級大樓對地月空間感興趣,但DRACO試驗成功對人類的深空探索也是一個好消息。

 

那既然DRACO項目是商業招標,那么就必然少不了工業界的身影。美國知名核技術公司BWX絕對是不可忽視的玩家。該公司曾經制造出美國海軍潛艇和航空母艦上的大部分核反應堆,并正在與NASA合作設計一種反應堆以實現火星任務。

 

BWX公司的高級項目總裁Jonathan Cirtain表示,DARPA決定推進核熱推進器的開發,是因為關鍵的技術正在成熟。

 

其中一個進步來自于難熔金屬的制造能力,這種材料非常耐熱。Cirtain 說,為了高效運轉,發動機必須能夠在短短兩米的長度上承受巨大的溫度和壓力變化。試想一下,從-254.15攝氏度到2,226.85攝氏度乃至更高的溫差變化,發動機要經受的考驗無異于冰火兩重天。

 

與此同時,設計核反應堆堆芯的工程師可以利用計算能力,快速迭代新的設計——計算中子通量和流體動力學等變量。Cirtain 說,“現在,有了超級計算機,你可以將幾年的計算時間壓縮為幾天,迭代設計解決方案的速度比以前快得多。”

 

回顧人類對太空核動力的開發并審視當下美國最前沿的核熱發動機項目,我們應該意識到軍事應用依舊是全球技術發展的重要帶動力量之一。而看似離我們遙遠的地月空間也已經被世界各主要航天科技大國所鎖定,未來圍繞太空制高點的爭奪毫無疑問會更加激烈。在這股趨勢下,國家機構所釋放出的技術紅利的商業機會也將為相關領域的民營企業帶來利好信號。

 

參考資料:

[1]https://arstechnica.com/science/2020/06/the-us-military-is-getting-serious-about-nuclear-thermal-propulsion/

[2]https://beta.sam.gov/opp/471584e16391415da6e5dc08c33e9aa4/view#attachments-links

[3]https://www.bwxt.com/what-we-do/nuclear-thermal-propulsion-ntp

[4]https://spacenews.com/momentum-grows-for-nuclear-thermal-propulsion/

[5]https://image.gsfc.nasa.gov/poetry/venus/q2811.html

[6]https://www.space-travel.com/reports/NASA_Researchers_Studying_Advanced_Nuclear_Rocket_Technologies_999.html

[7]https://phys.org/news/2019-07-earth-mars-days-power-nuclear.html

[8]https://www.darpa.mil/program/demonstration-rocket-for-agile-cislunar-operations



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