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NASA中文爱好者团队|可能还得靠核动力推进，火箭想要飞得更快( 二 )


核动力火箭之所以拥有前途 ， 原因之一就在于它们提供的能量密度之大令人难以置信 。 核反应堆中使用的是铀（U）燃料 ， 产生的能量密度比典型的化学火箭推进剂肼（N2H4）要高400万倍 。 与携带成千上万升的化学燃料相比 ， 将少量铀燃料送入太空要容易得多 。
除了能量密度 ， 核动力系统的推力和质量效率又如何呢？
NASA中文爱好者团队|可能还得靠核动力推进，火箭想要飞得更快
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第一枚核热火箭建于1967年 ， 在上图的背景中可以看到 。 前景是容纳反应堆的保护壳 。
图片来源：NASA/维基百科
核动力系统的两种选择
工程师为太空旅行设计了两种主要类型的核动力系统 。
第一种叫做核热推进（nuclearthermalpropulsion） ， 这种系统推力强大且效率适中 。 核热推进使用的是小型核裂变反应堆 ， 类似于在核潜艇中发现的核裂变反应堆 ， 常采用氢气作为工质（workingsubstance）兼冷却剂 ， 工质流经反应堆后被加热 ， 再经收缩扩张喷管高速喷出 ， 进而提供推力 。 NASA的工程师估计 ， 相比化学动力驱动 ， 由核热推进技术驱动的火星飞行任务在时长上要短20％-25％ 。
核热推进系统的质量效率是化学推进系统的两倍以上 ， 这意味着 ， 在使用相同质量的推进剂 ， 核热推进产生的推力是化学推进的两倍多 ， 可提供的推力能达到10万牛顿 ， 也就是足以让汽车在大约四分之一秒的时间内从0加速到97千米/小时的速度 。
第二种核动力火箭系统名为核电推进（nuclearelectricpropulsion） ， 目前还没有建成的核电系统 ， 工作原理是利用大功率核裂变反应堆发电 ， 将核能转换为电能 ， 为霍尔推进器这样的电推进器提供动力 。 核电推进将具有非常高的质量效率 ， 大约是核热推进系统的3倍 。 由于核反应堆可以产生极高的能量 ， 因此可以同时为多个独立的电推进器供电以产生很大的推力 。
核电推进系统不受太阳能的限制、具有很高的质量效率 ， 并且可以提供相对较大的推力 ， 因此是执行远程任务的最佳选择 。 尽管核电火箭拥有如此优越的长处 ， 但在投入使用之前仍有许多技术问题亟待解决 。
NASA中文爱好者团队|可能还得靠核动力推进，火箭想要飞得更快
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未来将人类带上火星的核热飞船的的艺术概念图 。
图片来源：约翰·弗雷萨尼托工作室（JohnFrassanito＆Associates）/维基百科
为什么目前还没有核动力火箭呢？
核热推进系统的研究自1960年代以来就开始了 ， 但到现在为止仍没有应用在太空飞行中 。
1970年代 ， 美国首次实施了一系列法规 ， 基本上要求所有的核太空项目都要经过多个政府机构的逐案审查和批准 ， 并且还要获得总统的明确批准 。 除此之外 ， 核火箭系统研究的资金也非常短缺 ， 这种大环境阻碍了用于太空探索核反应堆的进一步发展 。
当特朗普政府在2019年8月发布总统备忘录（presidentialmemorandum）之时 ， 这一切都发生了改变 。 在坚持保证核动力发射尽可能安全的前提下 ， 政府的新指示允许使用少量核材料的核任务跳过多机构的批准程序 ， 例如 ， 只需像NASA这样的赞助机构证明任务符合安全建议即可；当然 ， 更大型的核任务还是需要走完此前规定的一系列程序 。
随着法规又有了这项新的修订 ， NASA在2019年的财政预算中获得了1亿美元用于发展核热推进系统 。 美国国防部高级研究计划局（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency ， DARPA）也在开发太空核热推进系统 ， 旨在让美国国家安全行动能够触及地球轨道之外 。
在停滞了60年之后 ， 核动力火箭或将于十年之内飞向太空 。 这项激动人心的进展无疑将开启太空探索的新纪元：人类将亲身前往火星 ， 科学实验则将在我们的整个太阳系内外进行新的探索与发现 。


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