目前，人類涉足的太空還僅僅局限在地球附近。制約人類探索太空的主要因素就是航天器?，F(xiàn)有的航天器要在載荷量和動(dòng)力之間做出權(quán)衡：如果想要裝載更多的乘員和貨物，那就要犧牲動(dòng)力，減少燃料的裝載；如果想要裝載更多燃料，那勢必會(huì)影響載荷量。幾十年來，科學(xué)家一直在想辦法在航天器的載荷量和動(dòng)力之間實(shí)現(xiàn)“收益最大化”。一些航天機(jī)構(gòu)和科學(xué)家把目光投向了核動(dòng)力。

文 | 梅林

核動(dòng)力，顧名思義就是以核能作為動(dòng)力來源。人類對核能的利用最早可以追溯至第二次世界大戰(zhàn)前夕。時(shí)至今日，核動(dòng)力船只、核電站甚至核武器，盡管爭議不斷，但核能儼然成為未來人類最有使用前景的能源之一。

目前，人類利用核能提供動(dòng)力，最成功的實(shí)例就是核動(dòng)力航母，其技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。要想解決航天器的動(dòng)力和載荷量矛盾的問題，可能也要依靠核動(dòng)力。

NERVA：半路夭折的核動(dòng)力火箭先驅(qū)

早在 1952 年，美國的洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室就開始研發(fā)核動(dòng)力火箭。1964 年，美國航空航天局（NASA）開始與洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室合作，將洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的核動(dòng)力火箭應(yīng)用于 NASA 的核動(dòng)力空間試驗(yàn)機(jī)（RIFT：Reactor-In-Flight-Test ），并完成了 RIFT 的首次試飛。

當(dāng)時(shí)的“太空競賽”和 RIFT 的試驗(yàn)成功，促進(jìn)了美國航天核推進(jìn)局（SNPO）的建立。在 SNPO 的主持下，洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室開始研發(fā)和制造火箭飛行器用核引擎（Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application，縮寫為 NERVA），有兩家私營公司也參與了研發(fā)工作。經(jīng)過分析和論證，研發(fā)團(tuán)隊(duì)從眾多方案中選擇了基于 KIWI 發(fā)動(dòng)機(jī)的方案，造出了 NERVA NRX 和 NERVA XE 兩臺(tái)核動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

這兩臺(tái)核動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)僅在實(shí)驗(yàn)室中完成了測試，科學(xué)家根據(jù)測試數(shù)據(jù)斷定，這種核動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)適用于太空飛行，推進(jìn)效率是傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的 2 倍。不過，由于耗資巨大，研發(fā) NERVA 的項(xiàng)目最終被美國政府取消，這兩款 NERVA 發(fā)動(dòng)機(jī)從沒有真正完成過太空飛行任務(wù)。

核動(dòng)力火箭再次柳暗花明

盡管核動(dòng)力火箭的項(xiàng)目被取消，但是對于該領(lǐng)域的研究并沒有就此中斷。可是，在核動(dòng)力火箭領(lǐng)域，幾十年來似乎并沒有什么突破性進(jìn)展。NERVA 仍是人類目前唯一制造出的核動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

近期，情況似乎有了新的變化。NASA、美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）計(jì)劃研發(fā)可以前往火星的核動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，這個(gè)項(xiàng)目被命名為“敏捷地月行動(dòng)演示火箭”（DRACO）項(xiàng)目。根據(jù)計(jì)劃，最早 2027 年，美國將在太空測試一枚核動(dòng)力火箭。而到了 21 世紀(jì) 30 年代末或 40 年代初，NASA 將利用由核動(dòng)力火箭推進(jìn)的航天器，將宇航員送上火星。

DRACO 項(xiàng)目是在 2021 年啟動(dòng)的，今年 NASA 加入了這個(gè)項(xiàng)目，美國的洛克希德?馬丁公司（Lockheed Martin）和其他參與該項(xiàng)目的私營公司將負(fù)責(zé)核動(dòng)力火箭的設(shè)計(jì)、制造和測試。

NASA 的副局長帕姆?梅爾羅伊 （Pam Melroy）表示，與 DARPA 和私營企業(yè)的合作將加快送人類上火星相關(guān)技術(shù)的開發(fā)，未來核動(dòng)力火箭的測試將是實(shí)現(xiàn)人類登陸火星的關(guān)鍵一步。

核動(dòng)力火箭是如何工作的？

與傳統(tǒng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比，核動(dòng)力火箭的推進(jìn)效率能達(dá)到它的 2 倍，這樣可以搭載更少的燃料，而且在續(xù)航能力方面，核動(dòng)力火箭的表現(xiàn)也更優(yōu)異。那么如此高效的火箭是如何工作的呢？

其實(shí)核動(dòng)力火箭的工作原理不盡相同。根據(jù)核能釋放的原理，核動(dòng)力火箭可以分為 3 類：

放射性同位素衰變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：放射性同位素發(fā)生衰變會(huì)產(chǎn)生輻射，將輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，加熱氣體推進(jìn)劑，氣體膨脹并從噴口噴出，形成推力。

核裂變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：又叫核熱火箭，加熱氣體推進(jìn)劑的熱量來自核燃料的核裂變反應(yīng)，工作原理類似現(xiàn)在的核電站。DRACO 項(xiàng)目采用的就是核裂變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)方案。

核聚變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)：加熱氣體推進(jìn)劑的熱量來自核聚變反應(yīng)。由于核聚變反應(yīng)不好控制，對于可控核聚變的研究還處于初步階段，因此核聚變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)只是理論上的設(shè)想。

除了美國，其他國家也在嘗試或計(jì)劃開展核動(dòng)力火箭的研發(fā)工作，比如中國和俄羅斯。2018 年 3 月，中國航天科技集團(tuán)六院院長劉志讓表示，他們正聯(lián)合中國核動(dòng)力的相關(guān)研究設(shè)計(jì)單位，開展空間核動(dòng)力方案的論證和關(guān)鍵技術(shù)的研究工作，后續(xù)將形成熱核、核電等多種方案。在 2040 年前后，中國將實(shí)現(xiàn)核動(dòng)力空間穿梭機(jī)的重大突破。