核航天器:从梦想到现实

作者: 胡佳、孙保华

来源: 中国物理学会期刊网

发布日期: 2024-05-29 12:05:17

本文讨论了核动力推进航天器的概念及其历史,介绍了从20世纪50年代至今的相关技术发展,包括核热推进和核电推进的不同方法,并探讨了这些技术在未来的太空探索任务中的应用前景。

用核动力推进航天器,是不是在火箭后面装上原子弹?美国的DRACO火箭将利用裂变反应堆的热量将其推进太空。利用核能进行太空旅行的想法可以追溯到20世纪50年代。数学物理学家戴森是核动力太空旅行最坚定的支持者之一。1958年,他参与了通用原子公司的“猎户座”项目,这一项目是物理学家泰勒(Ted Taylor)的创意,旨在建造一艘重达4000吨的宇宙飞船,利用2600枚核弹助其推进到太空。

尽管猎户座计划结束了,核动力推进的诱惑却从未消失,而且某种程度上正在复苏。当然,现在的思路与使用原子弹不同,是将核裂变反应堆的能量传递给推进剂燃料,将其加热至约2500K后通过喷嘴喷出,这个过程被称为“核热推进”(NTP)。另一些思路是利用裂变能量将气体电离,从航天器的后部发射出来,即“核电推进”(NEP)。

大多数传统火箭使用普通的化学燃料提供动力。如20世纪60—70年代的土星5号火箭使用的是液体燃料,而1986年发射失败的挑战者号航天飞机使用的是固体燃料。最近的SpaceX的猎鹰火箭使用了煤油和氧气的混合物。这些推进剂的“能量密度”(单位体积储存的能量)和“比冲量”(它们产生推力的效率)都较小,限制了火箭的总推力(比冲量乘以排出气体的质量流量和地球引力)。

核动力航天器将使用裂变能来加热燃料(如低温储存的液态氢)。NASA马歇尔太空飞行中心前副主任、现就职于亨茨维尔亚拉巴马大学的Dale Thomas说:“核动力推进,无论是电推进还是热推进,都能从给定质量的燃料中提取出比燃烧推进更多的能量。”如今最高效的化学推进系统比冲量约为465 s。相比之下,由于核反应的功率密度更高,核热推进的比冲量可以达到近900 s。

再结合更高的推重比,核热推进可以在500天内将火箭送到火星,而不是900天。

核动力航天的想法可以追溯到20世纪50年代。当时,物理学家戴森提出使用原子弹将火箭推进至太空。20世纪六七十年代,美国国家航空航天局和美国原子能委员会启动了火箭飞行器用核引擎(NERVA)计划,利用裂变反应产生的热量推动火箭进入太空。虽然从未进行过该任务,但NERVA在反应堆设计、制造、涡轮机械和电子方面取得了若干进展。

在20世纪80年代,美国斥资2亿美元设立了太空核热推进(SNTP)计划,开发核动力火箭。

2020年,美国政府向通用原子公司、洛克希德·马丁公司和蓝色起源公司三家公司拨款近1亿美元,开展“敏捷地月行动示范火箭”(DRACO)项目,将核航天器重新提上了议程。第一阶段将致力于展示核热推进可以用于近地轨道上的火箭飞行,目标是实现与现有化学火箭系统媲美的推重比。该项目的负责人Tabitha Dodson认为,核空间反应堆若能成功发射和飞行,将彻底改变太空飞行。

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