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火箭_军事武器|火箭想要飞得更快更远，可能还需要核动力推进

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越来越多的工程师相信 ， 未来航天员登陆火星所用的火箭 ， 其动力来源应是核反应堆！原因在于 ， 这项技术虽饱受非议 ， 但效率极高 。
2019年3月26日 ， 美国副总统迈克·彭斯（Mike Pence）在面对国家空间委员会（NSC）发表演讲时明确表态：“在继续向太阳系深处探索的过程中 ， 我们需要具有创新性的推进方式 ， 包括使用核能 。 ”
坐满了美国国家航空航天局（NASA）工程师的会场因为这番发言而爆发出雷鸣般的掌声 。 大家都听懂了其中传递的信息 ， 概括来说就是研发核动力火箭 ， 将人类送上火星！
事实上 ， 这并不突然：早在几年前 ， 无论是NASA的报告还是会议中的研究和展示 ， 都充斥着关于核动力的暗示 。
NASA局长吉姆·布里登斯廷（Jim Bridenstine）就经常谈论这一话题 ， 且从不掩饰自己的兴奋 。 不仅如此 ， 美国国会也开始为该技术的研发提供资金：光是2020年的拨款额就不少于1.25亿美元 。 可以肯定的是 ， 目前有十几家实验室和企业正在悄悄从事相关研究 。
“毫无疑问：美国希望在几年内研制出一台核动力火箭的原型机 。 ”法国空间研究中心（CNES）液体推进研究负责人斯特凡·奥瑞尔（Stéphane Oriol）表示 。
一台原子能运载火箭？请注意 ， 这可不是“旅行者”号、“卡西尼-惠更斯”号、“好奇”号、“火星2020”等已进入太空的探测器所使用的功率约100瓦特的小型同位素发电机——那些装置只能从钚-238衰变产生的热量中获得微弱的能量 。
火星2020任务中毅力号和机智号的想象图
这一次 ， NASA明确考虑使用真正的核反应堆 ， 让其中的铀-235燃料块裂变 ， 产生链式反应 ， 输出约5亿瓦特的热功率！随即 ， 在如此灼热环境中（温度接近3000℃）的液氢经过汽化、膨胀后迅速喷出 ， 通过反作用形成推力 。
也许在人们眼中 ， 在空间运载火箭上使用一项遭到大规模反对的技术 ， 更像是拙劣科幻电影的场景 ， 抑或是美国政府的又一次挑衅 。 毕竟 ， 大家都清楚这种具有放射性的装置升空可能带来的风险 。
然而 ， 对于未来数十年远距离载人飞行任务的设计人员来说 ， 这一饱受诟病技术的诱惑是巨大的 ， 甚至是无法抵抗的 。 所有计算均得出一致结果 ， 一个核反应堆产生的推力高达10万牛顿 ， 效率是当前化学推进 ， 即通过氢氧化合物爆炸实施推进的2倍 。
在这样一个追求质量轻、速度快的行业内 ， 核动力的优势一目了然：推力相同 ， 燃料的用量少一半 ， 最终达到的速度却快一倍 。
事实上 ， 核能是一种高度浓缩的能量：1千克铀-235通过裂变产生的能量相当于燃烧270万吨煤炭产生的能量 。 使用核裂变技术 ， 无需搭载数十吨用于燃烧的氧气 ， 只需携带宇宙中最轻的元素氢 ， 然后将其喷出即可 。
“对管道出口处的氢进行加速 ， 要比加速化学发动机燃烧产生的质量较大的水分子容易得多 ， 因此前者效率更高 。 ”斯特凡·奥瑞尔指出 。
过于漫长的化学推进
其他推进手段也难以望其项背 。 诚然 ， 离子发动机电力推进的效率高于核动力 ， 但“前者产生的推力非常微弱 ， 只有几分之一牛顿 ， 因此要达到执行远距离飞行任务所需的速度需要很长的时间 ， 不适用于载人飞行任务” ， NASA马歇尔太空飞行中心（MSFC）推进工程师威廉·恩利奇（William Emrich）强调道 。 同理 ， 太阳帆也不行 。
质量轻、效率高、推力大 ， 使用原子能可大大降低载人火星之旅的难度 。 目前 ， 物资运输对基于化学推进设计的飞行任务而言简直是一场噩梦 ， 堪称不可能完成的挑战：
工程师最多只能将500吨物资和燃料送入地球轨道 ， 以保持飞船的完整性；他们还要考虑行星的方位 ， 也就是每26个月才会出现一次的短暂窗口期（持续3周或4周）——为了等待最佳方位 ， 航天员可能会有将近1年半的时间被困于火星；此外 ， 前往火星需要的时间很长——至少6个月 ， 这会使备受微重力、宇宙线以及极度孤独折磨的航天员面临严重的生理和心理问题 。
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1958 ， NASA 自成立之初就启动了一个名为“火箭飞行器用核引擎”（NERVA）的核推进研究项目 ， 先后建造并测试了 20 多台原型机 。
“化学推进可将人类送上地球轨道或月球 ， 甚至送上火星 ， 但要在地球和火星间往返就不现实了 。 ”威廉·恩利奇总结说 。
核能的使用或许能减轻飞船燃料的重量 ， 并获得更快的速度 。 根据NASA的初步模拟 ， 与使用化学推进相比 ， 地球往返火星的旅行时间可缩短20%至50% ， 从而令发射更加灵活 ， “即便两个行星之间的相对位置不那么理想 ， 工程师也可以实施发射 ， 这就扩大了发射窗口期 ， 而且他们还可以探索采用化学推进和电力推进时所无法实现的航线” ， 斯特凡·奥瑞尔指出 。
鉴于此 ， NASA计划利用原子能 ， 在“火星冲日”（火星和地球在太阳同侧三者排成一条直线）期间实施发射任务 ， 以避免航天员在火星上滞留过久 。 此举或能将任务的总时长从900多天缩短至500天 ， 从而为火星探索留出足够的时间 ， 而且航天员面临的风险也会降低 。
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一项原理相对简单的技术
更何况 ， 在搭载核发动机的情况下若遭遇严重问题 ， 人们有机会立刻终止任务 ， 并在飞行开始后的三个月内、甚至在刚刚到达火星后即刻返回地球 。 如果使用化学推进器 ， 一旦进入地火转移轨道 ， 火箭只能利用几小时、最多几天的窗口期返回地球 。 这些安全保障对工程师的重要性毋庸赘言 。
早已开荒的领域
核推进技术还握有最后一张王牌：它其实是NASA工程师们的“老朋友”了 。 事实上 ， 从1955年至1973年 ， 该机构已就这一问题编制了完整的研究方案 。
1967年12月1日: 核动力发动机试验台 ， 第一个地面实验核火箭发动机(XE)组件以“冷流”配置展示 。 引擎在左边的背景中 ， 中间/前景是一个屏蔽结构 。
相关团队建造并试验了20多个反应堆 ， 掌握了各种材料的缺点 ， 为该领域的研究扫清了许多障碍 。 他们甚至在内华达沙漠对多个原型机进行了深入测试 。
KiWI-A核热火箭发动机
后来 ， 项目被放弃 ， 但这并非出于技术原因而是美国开始专注于航天飞机的研究了 。
现在 ， “我们可以利用该项目收集的数据 ， 这真是一座金矿” ， 美国亚拉巴马大学系统工程教授戴尔·托马斯（Dale Thomas）高兴地表示 。 不过 ， 发射安全、材料强度以及规避辐射伤害都是有待解决的问题 。 此外 ， 和其他核反应堆一样 ， 可能出现的温度降低和反应失控也需要留意 。 当然 ， 从理论上说 ， 没有什么是不能克服的 。
在工程师的办公室内 ， 空间反应堆的草案已经重新摆上桌面 。 除了NASA ， 美国国防高级研究计划局（DARPA）也在不久前启动了一个核推进项目 ， 旨在更好地控制地月空间 ， 甚至在此作战；原型机预计将于2025年出炉 。 “俄罗斯和中国也在研究这项技术 。 ”斯特凡·奥瑞尔指出 。
太阳系深处
直接提供推力并不是唯一的选择：部分飞船或许可以通过搭载核反应堆为离子推进器供电 。 这一混合技术在启动时速度较慢 ， 但效率极高 ， 只需很低的成本就能将大量货物送往火星或月球 。 它还能轻而易举地将十几吨科技物资送往木星或土星的卫星 ， 或者参与太空资源的开发 。
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阿丽亚娜 -5 型运载火箭最终采用的火神发动机 。
“事实上 ， 太阳系超过90%的空间是人类无法运用化学推进手段在合理的时间范围内抵达的 ， 而且随着飞船逐渐远离太阳 ， 辐射的强度会越来越弱 ， 因此使用太阳能电池技术也无法到达这些地方 。 ”斯特凡·奥瑞尔分析道 ， “与行星、类行星和小行星领土化有关的话题纷纷涌现 ， 解决地球甚至火星以外的物资运输由此成为真正的战略性问题 ， 而核能似乎成为到达太阳系深处的必要手段 。 ”即便是现在 ， 核能也被视为火星或月球基地必不可少的电力来源 。
人们终将明白：如今空间工程师已经被核能的魅力征服 。 从纯技术层面看 ， 采用该方案的意义显而易见 。
事实上 ， 它在法律层面也没有问题：?《外层空间条约》仅禁止将核武器送入轨道或其他天体 。 不过 ， 如何才能使人们相信该研究能顺利进行？如何才能忽略发射点周围及核动力飞船飞行路线下方民众的巨大恐惧？?“许多论据都支持核能的使用 ， 但具有放射性的发射方式确实是一个非常敏感的问题 。 ”CNES太阳系探索项目负责人弗朗西斯·罗卡尔（Francis Rocard）承认 。
在航空工程界 ， 1970年代至1980年代 ， 为苏联卫星供电的核反应堆因为故障给世人留下了苦涩的回忆；1978年1月24日 ， 核动力卫星Kosmos954在加拿大北部坠毁 ， 为了消除由此产生的污染 ， 人们采取了大量补救措施 。 此外 ，搭载了一个小型钚发生器的“卡西尼-惠更斯”号探测器至1997年发射前也遭到不少抗议 。
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一个核动力引擎正在进行破坏性测试
鉴于上述顾虑 ， NASA计划在发射时不点燃反应堆 ， 而是待飞船达到一个足够高（海拔1000千米以上）且稳定的轨道后再点燃 ， 从而保护人群 。 1992年 ， 联合国也表决通过了一项决议 ， 禁止飞船在起飞时进行任何形式的核裂变 。
此外 ， NASA不会让具有放射性的火箭返回地球：推进舱将进入“坟场”轨道 ， 而航天员会像从国际空间站返回那样使用座舱回到地面 。
确保地面测试安全
在进行地面测试时 ， 各项预防措施也会到位 。 现在已经不是1960年代那样可以随意试验的年代了——彼时 ， 人们没心没肺地将可能被放射性燃料颗粒污染的氢气排入大气 。 NASA的工程师正着手研发有毒粉尘的回收装置 ， 并考虑将其用于NASA位于密西西比州的A-3试验台上 。
为平息争议 ， “NASA也曾考虑像核试验那样 ， 基于反应堆的计算机建模结果展开研究” ， 戴尔·托马斯进一步解释道 。 此外 ， 首批不载人飞行试验的设计人员还会着重考虑路线规划 ， 以免飞船后续与地球发生碰撞 。
那么 ， 做好这些预防措施就够了吗？“核技术开启了新的飞行领域 ， 但我认为无论采取怎样的预防措施 ， 人们都没法接受 。 ”法国国立高等航空航天学院（ISAE）航天系统工程副教授斯蒂芬妮·丽兹-迪特雷兹（Stéphanie Lizy-Destrez）坦言 ， “当我和圭亚那航天中心的负责人谈及此事时 ， 他们表示这依然是一个禁忌 ， 因为他们不想在发射点周围引发游行 。 ”
核动力火箭运载器假想图
无论在实验室还是在大众的认知中 ， 空间原子技术的命运或许都将迎来重大进展 。 “把人类和物资送上火星的关键抉择之刻即将到来 ， ”弗朗西斯·罗卡尔强调说 ， “要实施首批不着陆的载人火星飞越任务 ， 美国人应当尽快在核推进和化学推进之间做出选择 。 ”为此 ， 美国国家科学院（NAS）已经开始征询专家的意见 。 “我迫不及待地想知道他们最终会在报告中推荐哪项技术 。 ”戴尔·托马斯嘀咕道 。
是坚持传统且令人安心的化学推进技术 ， 还是向核推进技术的诱惑妥协？是时候选择了 。
撰文 Vincent Nouyrigat
编译 王隽
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