传统火箭已过时？NASA计划4年內发射核火箭，2035核动力探索火星

　　最近鹰酱传出了推进核动力火箭的消息，那么核动力火箭到底是什么样的？传统的氧氢燃料火箭是否即将成为过去式呢？今天我就用这篇文章来分享一下。
　　美国防高级研究计划局（DARPA）近日挑选了三家公司，蓝色起源、洛克希德·马丁和通用原子公司来研发核动力太空推进系统。DARPA的第一阶段研发合同就是被称为＂敏捷月球行动示范火箭（DRACO）＂的项目，目标是在2025年将火箭送入近地轨道。
　　据统计，核热推进的推重比，比电力推进系统高约1万倍，推进剂效率（比冲）也要比传统化学火箭高2到5倍。另外，核动力航天器的飞行时间会更长、速度会更快，不仅适合做太空武器的动力，未来还可以用作深空探索的动力和供电系统。什么是核热推进？
　　核热推进通常被称为核动力，就是利用核裂变产生的热量，把推进剂加热到2000度以上，推进剂膨胀并以极快的速度从喷嘴喷出。而目前的推进剂基本都是液态氢。
　　与传统化学燃烧的火箭发动机不同的是，核热推进方式没有化学反应，只是把液体加热到极高温度汽化，利用气体体积膨胀产生巨大的压力向真空中极高速的喷出后产生推力。而传统的化学燃烧火箭，不仅要携带燃料还需要氧化剂（多数是液态氧气），这相当于多了一倍的重量，所以火箭的体积都很庞大，最典型的就是航天飞机的推进系统。
　　其实核热推进的概念早在1940年代就提出来了，到1960年代鹰酱的NASA和原子能委员会通过了NERVA计划，研究核热火箭发动机的实际使用情况，但这个项目在1972年被终止了。
　　主要是因为当时技术的限制，以及核热发动机还需要使用到高浓缩铀或钸，而且那个时候火箭发射还经常出现意外，一旦火箭发射失败，核反应堆可能会在大气层中直接爆炸，这将带来极大的灾难。
　　另外，即便是在美苏太空竞赛最激烈的六七十年代，化学燃料火箭的快速发展，已足以满足那个时代的需求。但你以为NERVA计划并没什么用吗，事实并非如此，相反它还取得了不错的成果。NERVA计划
　　洛斯阿拉莫斯实验室在1952年开始研发核动力火箭，并于1955年解决了反应炉过重的问题，整个项目得以提速，之后该项目被称为＂流浪狗计划＂。1966年2月，NASA进行了NERVA--NPX引擎系统的测试，测试的目标是论证在没有外部能源的情况下启动和重启引擎的可行性，评估启动、关机、冷却以及重启情况下控制系统的特性，以及系统在过载运行下的稳定性，尤其是反应炉在多次稳定和瞬间重启下的耐用性。
　　NERVA引擎
　　而所有的测试都成功完成了，而且第1台NERVA引擎连续运行了将近两个小时，包括28分钟的全推力运行。第2台NERVA引擎被设计用来尽可能的成为一个完整的飞行系统，甚至包括使用燃料涡轮泵，这一次它不仅运行了115分钟，还包括28次重复启动。NASA和太空核动力办公室认为测试表明核动力火箭适合太空飞行任务，而且比冲是传统火箭发动机的两倍。
　　NERVA引擎的表现虽然证明了它的可行性，但NASA的预算在1969年遭到了国会的大幅削减，之后的尼克松政府不仅大幅削减了1970年的预算，并且还关闭了土星5号火箭的生产线，甚至取消了阿波罗17号以后的登月计划。在失去了用于安装NERVA引擎的土星火箭后，流浪狗计划虽然又进行了几年，但最终还是在1972年彻底终止了。
　　NASA历年预算
　　当然，NERVA引擎的测试中也发生过意外事故，最严重的一次是液氢爆炸造成了两位工作人员的受伤。而在1959年的一次测试中，液氢被意外的用光了，造成反应堆核心过热后爆炸，为了防止核辐射等意外，工作人员在等待了三周后才外出收集四散在内华达沙漠里的发动机碎片。核动力火箭为什么再受重视
　　那么为什么时隔40多年，核动力火箭发动机再次受到重视呢？首先是现在的太空任务往往需要更强劲的动力系统、更持久的工作时间、和更多的电力能量，而现有的动力系统无法满足这种需求。
　　另外，现在设计的核热发动机使用的是更安全的低浓缩铀，在起飞时不会有放射性，反应堆也只有在火箭安全进入太空后才会开启，另外即使它真的失效后掉出轨道也不会马上落回大气层，会在太空中漂浮很长时间，放射性也会衰减。
　　川普曾在2020年签署了太空政策指令SPD-6，内容是＂国家太空核动力与推进战略（SNPP）＂，主要目的是开发先进的放射性同位素动力系统，以实现可在行星表面使用的动力系统并能用于太阳系的深空探索。
　　核动力系统不仅能为深空航天器提供动力，还能在抵达目标后用来发电，以解决遥远星球上的能源需求。因为很多星球距离太阳过远，太阳能根本不够航天器或人类活动所需。比如最近颇受关注的＂毅力号＂火星车，就使用了放射性同位素热电池来供电，而不是依靠太阳能电池。
　　目前核热发动机的进展
　　目前鹰酱有两家公司正在开发用于太空飞行的核动力反应堆，这和陆地上的核电站反应堆的概念有很大不同。要使核火箭获得足够大的推力，过去NERVA的实验中需要使用武器级别的高浓缩铀，而商业核发电厂使用的是低浓缩铀燃料，使用起来相对安全。
　　高低U-235对比
　　不过在核热发动机中，核反应堆的温度在2000度以上，是商业用电核反应堆温度的8倍以上，而且这么高温度的氢气具有极高的化学反应性，以及气体急剧膨胀后产生的冲击力也是巨大的。因为高温高压的氢气与核燃料直接接触，传统的核反应堆燃料会变得很脆弱并且会散架，现在这两家公司都表示他们的核燃料足够可靠、可用于安全紧凑高性能的核反应堆。
　　比如总部在西雅图的超安全核技术公司（USNC-Tech）开发了被称为全陶瓷微胶囊的核燃料，使用的铀燃料浓缩度低至20%以下，而且铀燃料颗粒还被分散在特殊的微型陶瓷涂层上，形同一个个微型陶瓷胶囊，不仅能够显著降低扩散的风险，还可以将放射性裂变副产品留在微型胶囊里面，同时让热量散发出去。
　　核热发动机设计概念
　　目前该公司已经制作出了小型核热发动机原型，将在2027年之前制造出最终产品一半大小的示范系统，然后是生产出可以用于探索火星的实际动力系统。而这个系统也将很好的推动2035年的人类探索火星任务。
　　可能有人会觉得研发核热火箭风险太高，若将其运用于军事更是不堪设想。毕竟人类对核能的利用还远远无法如意控制，一个核废水就难住了隔壁。
　　其实仔细想想，人类对任何一种能源的利用都是有正反两方面的。除了化石燃料、核燃料，水力发电也会对生态、水资源造成一定影响，太阳能发电好像是清洁能源，但如果大量开发利用太阳能的话，还会减少地表获得的日照能量。而这些会不会改变地球能量循环的模式，最终带来更加难以解决的生态危机呢？我们不得而知......