空間核動力前景廣闊

新聞背景

在全國「兩會」上，人大代表、中國航天科技集團六院院長劉志讓表示，該院正聯合國內核動力相關研究設計單位，開展空間核動力方案論證和關鍵技術研究工作，後續將形成核熱、核電等多種方案，拓展空間任務的適應性。

一枚體態巍峨的火箭騰空而起後，最終卻只能將重量相對火箭小很多的航天器送入軌道。以剛剛成功首飛的獵鷹重型火箭為例，其起飛時的整體重量高達1420噸。而即便在放棄可回收功能來換取更高運載能力的情況下，這種火箭也僅僅能將63.8噸的載荷送到近地軌道上，僅相當於其起飛重量的4.5%左右。近地軌道距離地面的高度一般在幾百公里左右，對於去往更遙遠太空中的飛行，火箭能夠運載的有效載荷會進一步下降。例如，發射去往火星的載荷時，獵鷹重型火箭的運載能力為16.8噸，僅相當於其起飛重量的1.2%。

造成當前火箭運載效率低下的一個重要原因是燃料的比沖（單位質量推進劑所產生的衝量）太低。目前使用的火箭，是通過將燃料的化學能轉化成熱能的方式，加熱加速氣體來使火箭獲得推力的。以這種方式工作的火箭被稱為「化學火箭」。目前化學火箭常用的液氧-液氫推進劑，其理論最大比沖為510秒。

據估計，如果使用核燃料驅動火箭，其理論最大比沖可以高達約一百萬秒，比液氧-液氫化學火箭足足高了4個量級。因此，要在未來將大型航天器送到深空之中，真正實現科幻電影中所暢想的星際旅行，核能是目前可知的唯一選擇。

熱核火箭：技術跨度最小

在所有核能火箭的實現方式中，熱核火箭是結構和原理與現有化學火箭最相似的一種。因此，其技術跨度也較小，實現也相對容易。

熱核火箭的發動機和化學火箭的發動機構造基本相似，其基本原理也是將推進劑加熱後向後噴出，讓火箭獲得前進的動力。但和化學火箭不同的是，熱核火箭加熱推進劑的熱量由核反應釋放，而不像化學火箭那樣由化學反應釋放。

根據反應堆材料的不同，熱核火箭可以分為固體堆芯、液體堆芯和氣體堆芯三種。固體堆芯火箭發動機的構造和傳統化學火箭發動機最像。在反應堆中，通過與核電廠中的核反應類似的方式控制核反應發生的速度：反應堆周圍布置了一圈用於控制堆內中子流的控制棒。當控制棒抽出時，中子流增加，鏈式核反應就進行得較快，發動機可以輸出較高功率。如果暫時需要減小發動機的推力或停機，則將控制棒推入反應堆來減小堆內的中子流即可。

限制固體堆芯核火箭能力發揮的一個因素是發動機材料所能承受的最高溫度。由於核反應能夠產生的溫度一般遠遠高於目前可用的材料能夠承受的溫度，因此不得不將核反應的速率限制得比較低，不能充分發揮核反應釋放能量的本領。為了在有限的溫度下獲得儘可能高的比沖，需要選擇分子量盡量小的推進劑，因此固體堆芯核火箭發動機一般使用液氫作為燃料。但此時，液氫承擔的任務僅僅是帶走核反應產生的熱能，自身並不燃燒。

由於熱核火箭仍然需要使用推進劑，且核反應的能力不能被完全發揮，其比沖目前只能達到1000秒左右。但這已經是液氧-液氫發動機實際能夠達到的比沖的2倍多。此外，由於固體堆芯發動機的體積和重量較大，其推力與重量的比大概只能達到10左右，低於目前化學火箭70左右的推重比。受這些限制，熱核火箭發動機還不能完全取代化學火箭發動機來執行從地面發射航天器的任務。但其高比沖的特點特別適合推動已經進入近地軌道的飛行器向深空探測的軌道轉移。

美國航天局曾經提出過這樣的設想：先使用重型化學火箭將BNTR熱核火箭的各個組成部分送入近地軌道中，在近地軌道上完成熱核火箭組裝後，等待太空梭將宇航員及其住艙一併發射上來。在完成最終的組合後，熱核火箭提供的動力將把重約137噸的組合體從近地軌道擺渡到火星軌道，並在完成任務後返回。為了進一步提升熱核火箭的性能，研究者們已經開始了對液體堆芯火箭和氣體堆芯火箭的研究，這兩種類型的熱核火箭有望進一步提高比沖和推重比，使熱核火箭的應用前景更加廣闊。

電推進核火箭：將縮短星際旅行時間

普羅米修斯是希臘神話中為人類盜來火種的神靈。在美國航天局以普羅米修斯命名的航天計劃中，研究者們希望能像他一樣從恆星釋放能量的核能中汲取力量，讓人類的航天器能飛得更遠。在該計劃中，研究者們採用了全新的核能發電+離子電推進的技術方式，試圖設計一種能夠勝任深空探測任務的飛船。這種飛船的時速可達到目前常規探測飛船的3倍以上，能夠在60天左右的時間內從地球抵達火星，還能完成去往太陽系外的任務。

在普羅米修斯計劃所採用的電推進技術中，首先使用電能將推進劑原子中的電子剝離，使其成為帶有正電荷的離子。之後，離子在電場或電磁場的作用下被加速到極高的速度並噴出，使航天器獲得推力。由於離子的速度很高，因此在獲得同樣的推力需要的推進劑質量僅僅是傳統化學推進方式的十分之一。1998年美國航天局發射的「深空一號」探測飛船，僅僅攜帶了81.5公斤的推進劑就可以進行20個月的長時間飛行，這對於化學推進劑來說簡直是不可想像的。離子電推進劑能夠產生的瞬時推力沒有化學推進劑大，但它能讓飛船連續穩定的加速數月至數年，最終使飛船達到比較快的速度，縮短星際旅行時間。例如，如果歐洲的「羅塞塔號」飛船改用離子電推進技術，其飛行時間有望從實際的9年縮短到兩年半。

我國前不久發射的「實踐十三號」衛星也採用了電推進技術，從而能夠以少量燃料在軌道上工作更長時間。像「實踐十三號」這種在地球附近工作、對推力需求不是很大的航天器，太陽能就足夠提供衛星離子電推進所需要的電能。但是對於需要飛向遙遠太空的飛船來說，太陽光在地球附近給予的能量就不充足。而普羅米修斯所計劃使用的飛船，將用核能發電，為離子電推進系統送去比太陽能更充足、更穩定的能源。在普羅米修斯計劃中，設計了更高效的熱-聲-電核能轉換方式。氦氣在被核燃料加熱後，其膨脹和收縮產生滾滾驚雷一樣的強大聲波，驅動發電機中的活塞運行，產生電流。

在2003年進行的試驗中，普羅米修斯計劃研發的大功率離子電推進發動機獲得了12千瓦的功率和高達6000秒的比沖，比「深空一號」上使用的離子發動機性能有了較大的提升。遺憾的是，由於美國整體航天政策的調整和該計劃本身的一些技術難題，美國於2005年終結了普羅米修斯計劃。但在計劃實施期間所積累的技術，為今後核能電推進火箭的進一步應用打下了基礎。李會超

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