NASA下注太空工程的未来:又见核动力火箭

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来源:Spectrum

编译:周熙

尽管核反应堆在地球上引起了很多争议,但它可以产生将大型航天器迅速送上火星并在需要时送上更远的地方所需的能量和推进力。

核火箭发动机的想法可以追溯到20世纪40年代。不过,这次以核裂变和核聚变为动力的星际飞行任务计划得到了新设计的支持,这些新设计更有可能使火箭升空。

重要的是,核发动机只用于星际旅行,而不在地球大气层中使用。化学火箭将飞船发射到低地球轨道之外。只有在那时,核推进系统才会启动。

当前面临的挑战是如何让这些核发动机既安全又轻便。新的燃料和反应堆设计似乎可以胜任这项任务,因为美国宇航局(NASA)现在正与工业伙伴合作,为未来可能的核动力载人太空任务而努力。

"如果你想去火星,并在两年内返回,核推进将是更好的选择,"NASA空间技术任务局的首席工程师Jeff Sheehy说:“为了实现这种任务能力,尚需升级的一项关键技术就是燃料”。

具体来说,燃料需要承受核热机内的超高温和挥发性条件。现在有两家公司表示,他们的燃料足够可靠,可用于安全、紧凑、高性能的反应堆。并且,其中一家公司已经向美国航天局提交了详细的概念设计。

核热推进利用核反应释放的能量将液态氢加热到约2,430℃——约为核电站核心温度的8倍。推进剂膨胀并以极快的速度从喷嘴中喷出。这与化学火箭相比,单位质量的推进剂可以产生两倍的推力,使核动力飞船的飞行时间更长,速度更快。另外,一旦到达目的地,无论是土星的卫星土卫六还是冥王星,核反应堆可以从推进系统切换到动力源,使飞船能够在数年内发回高质量的数据。

要使核火箭获得足够的推力,过去需要武器级的高浓缩铀。商业发电厂使用的低浓缩铀燃料,使用起来比较安全,但在极活性氢的高温和化学攻击下,它们会变得很脆弱,并且会散架。

超安全核公司技术公司(USNC-Tech)使用的铀燃料浓缩度低至20%以下,比核发电站的等级高,工程总监Michael Eades说:“但这不能被挪用到其他地方,只有这样才能显著降低扩散风险。”该公司的燃料包含分散在碳化锆基质中的微型陶瓷涂层铀燃料颗粒。微胶囊将放射性裂变副产品留在里面,同时让热量散发出去。

总部位于弗吉尼亚州林奇堡的BWX技术公司,正在根据美国宇航局的合同,研究使用类似陶瓷复合燃料的设计,同时也在研究一种包裹在金属基体中的替代燃料形式。“自2017年以来,我们一直在研究我们的反应堆设计。”该公司高技术集团的总经理Joe Miller说。

两家公司的设计都依赖于不同种类的调节剂。节制剂可以减缓裂变过程中产生的高能中子,使其能够维持连锁反应,而不是冲击和破坏反应堆结构。BWX将其燃料块穿插在氢化物元素之间,而USNC-Tech的独特设计将铍金属调节剂集成到燃料中。"我们的燃料保持完整,能在热氢和辐射条件下生存,而且不会吃掉反应堆的所有中子,"Eades说。

普林斯顿等离子体物理实验室的科学家们正在利用这个实验性反应器将聚变等离子体加热到100万摄氏度,开发聚变动力火箭进行星际旅行是一个漫长旅途,而科学家们正在努力。

普林斯顿等离子体物理实验室的Samuel Cohen说:“还有一种办法可以实现小型、安全的核动力火箭:核聚变反应堆。主线核聚变使用氘和氚燃料,但科恩正在领导努力制造一种依靠氘原子和氦-3在高温等离子体中聚变的反应器,这种反应器产生的中子非常少。我们不喜欢中子,因为中子可以把像钢铁这样的结构材料改变成更像瑞士奶酪的东西,并且可以使其具有放射性。普林斯顿实验室的概念被称为直接核聚变驱动,所需的燃料也比传统核聚变少得多,该装置可能是千分之一大。”

美国宇航局的Sheehy说:“理论上核聚变推进器的性能可能远远超过裂变推进器,因为前者反应释放的能量是后者的四倍。然而,这项技术并没有足够成熟,还面临着一些挑战,包括产生和包含等离子体,以及有效地将释放的能量转化为定向喷射废气。它还不可能为2030年代末的火星任务做好准备”

相比之下,USNC-Tech已经基于其新燃料制作了小型硬件原型。Eades说:“我们正在按部就班地实现NASA的目标,即在2027年之前准备好一个半规模的演示系统。下一步将是建造一个完整规模的火星飞行系统,这个系统可以很好地推动2035年的火星任务。”

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