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火箭想要飛得更快,還得靠核動力推進

圖片來源:Pixabay

速度更快的航天飛船在很多方面上都占據優勢,而核動力火箭(nuclear powered rocket)就是給飛船加速的一種方法。與傳統燃燒燃料的火箭或是現代太陽能電推進火箭相比,核動力火箭具有許多優勢,但在過去的40年中,美國只有8次航天發射用到了核反應堆。

在2019年,規范核航天飛行的相關法規發生了變化,下一代火箭的工作也已經重新開始了。


為什么要追求速度?

太空旅行的第一步涉及的就是用火箭將飛船發射進入軌道,人們在想到火箭發射時會在腦海中刻畫出大型燃燒燃料的發動機,也就是發射火箭,由于地球重力的限制作用,在可預見的未來發射火箭都不太可能消失。

一旦飛船到達太空,事情就會變得有趣起來。為了逃脫地球的引力前往深空中的目的地,飛船需要額外的加速度,這個時候核系統就能發揮作用了。如果宇航員想要探索比月球或者火星更遠的地方,他們將需要以非常非常快的速度前進。宇宙如此浩瀚,一切都遙不可及。

火箭速度更快對于長距離太空旅行來說更有利的原因有兩個:一是安全性,二是時間性。

前往火星旅行的宇航員將會被暴露在非常高的輻射水平中,這可能導致嚴重的長期健康問題,例如癌癥和不育癥。輻射防護能起到一定的保護作用,但是它非常沉重,并且任務越長,需要的防護就越多。減少輻射暴露更好的方法則是更快地到達目的地。

宇航員的人身安全還只是其中一個好處。隨著各大太空機構進一步深入太空,從無人飛行任務中盡可能快地獲取數據變得非常重要。旅行者2號(Voyager-2)花了漫長的12年時間才到達海王星,飛掠過海王星時拍下了一些令人難以想象的照片。如果旅行者2號具有更快的推進系統,那么天文學家其實可以更早地獲得這些照片和其中包含的信息。

高速的優勢顯而易見,但為什么核系統更快些呢?

土星5號運載火箭高約363英尺(110米),主要的組成部分是一個燃料箱。

圖片漢化:哇喳


當下的系統

一旦飛船逃脫了地球的引力,在比較任何推進系統時都有三個重要方面需要考慮:

  • 推力(Thrust):系統能以多快的速度對飛船進行加速

  • 質量效率(Mass efficiency):對于給定的燃料質量,系統可以產生多少推力

  • 能量密度(Energy density):給定質量的燃料可以產生多少能量

如今,最常用的推進系統是化學推進系統(chemical propulsionsystem),即常規燃燒燃料的火箭推進系統,以及太陽能電推進系統(solar-powered electric propulsion system)。

化學推進系統能提供很大的推力,但化學火箭的質量效率并不是特別高,火箭燃料的能量密度也不高。將宇航員送上月球的土星5號運載火箭(Saturn V)在升空時產生了3500萬牛頓的力,運載了95萬加侖(約36萬升)的燃料。盡管大部分燃料用于使火箭進入軌道,但局限性顯而易見:去任何地方都需要大量沉重的燃料。

電推進系統則是利用太陽能電池板產生的電能來產生推力,最常見的方法是使用電場對離子進行加速,例如在霍爾推力器(Hall thruster)中。電推進系統通常用于給衛星供電,其質量效率比化學推進系統高出5倍以上,但是相對而言電推進系統產生的推力卻要小得多,大約只有3牛頓,換種更容易理解的說法,也就是只能在大約兩個半小時內讓汽車從0加速到97千米/小時。電推進系統的能量來源,也就是太陽,本質上是取之無禁用之不竭的,但實際上航天器距離太陽越遠,太陽能的作用就越微小。

核動力火箭之所以擁有前途,原因之一就在于它們提供的能量密度之大令人難以置信。核反應堆中使用的是鈾(U)燃料,產生的能量密度比典型的化學火箭推進劑肼(N2H4)要高400萬倍。與攜帶成千上萬升的化學燃料相比,將少量鈾燃料送入太空要容易得多。

除了能量密度,核動力系統的推力和質量效率又如何呢?

第一枚核熱火箭建于1967年,在上圖的背景中可以看到。前景是容納反應堆的保護殼。








圖片來源:約翰·弗雷薩尼托工作室(John FrassanitoAssociates/維基百科


為什么目前還沒有核動力火箭呢?

核熱推進系統的研究自1960年代以來就開始了,但到現在為止仍沒有應用在太空飛行中。

1970年代,美國首次實施了一系列法規,基本上要求所有的核太空項目都要經過多個政府機構的逐案審查和批準,并且還要獲得總統的明確批準。除此之外,核火箭系統研究的資金也非常短缺,這種大環境阻礙了用于太空探索核反應堆的進一步發展。

當特朗普政府在2019年8月發布總統備忘錄(presidential memorandum)之時,這一切都發生了改變。在堅持保證核動力發射盡可能安全的前提下,政府的新指示允許使用少量核材料的核任務跳過多機構的批準程序,例如,只需像NASA這樣的贊助機構證明任務符合安全建議即可;當然,更大型的核任務還是需要走完此前規定的一系列程序。

隨著法規又有了這項新的修訂,NASA在2019年的財政預算中獲得了1億美元用于發展核熱推進系統。美國國防部高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)也在開發太空核熱推進系統,旨在讓美國國家安全行動能夠觸及地球軌道之外。

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