核動(dòng)力火箭到底有多“香”

隨著載人航天技術(shù)不斷進(jìn)步，登上外星球，創(chuàng)建新家園，成為人類(lèi)宏大的未來(lái)目標(biāo)。其中，火星作為太陽(yáng)系中與地球最相似的行星，有幸成為人類(lèi)移民外星球事業(yè)的首選地之一。

然而，建立火星家園面臨著重重挑戰(zhàn)。比如，航天器采用傳統(tǒng)化學(xué)能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，執(zhí)行地火往返任務(wù)至少需要2年多，而在沒(méi)有大氣層削弱輻射的太空中飛行時(shí)間越長(zhǎng)，可能遭遇的故障就越多，人員面臨傷病乃至生命危險(xiǎn)的隱患也越大。因此，載人探火任務(wù)要求盡量縮短飛行時(shí)間，有必要?jiǎng)?chuàng)新航天動(dòng)力技術(shù)。

近日，美國(guó)宇航局和美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究計(jì)劃局宣布，將合作研發(fā)核動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，爭(zhēng)取2027年在軌驗(yàn)證技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)有望顯著縮短航天員往返深空任務(wù)用時(shí)，將為執(zhí)行載人火星探索任務(wù)奠定基礎(chǔ)。

美國(guó)媒體公布的“敏捷登月行動(dòng)示范火箭”項(xiàng)目下的核火箭想象圖。

總體上講，核動(dòng)力火箭在動(dòng)力輸出功率上，或者在續(xù)航力方面，對(duì)比傳統(tǒng)的化學(xué)能火箭，預(yù)計(jì)具備無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

在所有論證的未來(lái)火箭動(dòng)力方案中，核動(dòng)力火箭優(yōu)勢(shì)鮮明，有望縮短航天器飛行時(shí)間，減少航天員在失重狀態(tài)和宇宙輻射下的危險(xiǎn)暴露，更有利于保持健康，還有望簡(jiǎn)化航天器生命保障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，降低負(fù)荷和系統(tǒng)復(fù)雜度，從而提升可靠性。

此外，核動(dòng)力火箭的持續(xù)工作能力強(qiáng)，任務(wù)適應(yīng)性更好，便于調(diào)整啟動(dòng)狀態(tài)。如果任務(wù)臨時(shí)中止，它有望在太空中航行一段時(shí)間后不補(bǔ)充燃料而安全返回地球。未來(lái)從火星等外星球上起飛時(shí)，核動(dòng)力火箭有望簡(jiǎn)化操作，更可靠地踏上歸途。

不過(guò)，核動(dòng)力火箭不能一概而論。根據(jù)核能釋放方式的不同，核動(dòng)力火箭可分為3種：放射性同位素衰變型、核裂變型和核聚變型。

其中，放射性同位素衰變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理是，將放射性同位素衰變所產(chǎn)生的射線(xiàn)輻射轉(zhuǎn)變成熱能，加熱工質(zhì)，形成推力。研究認(rèn)為，它能夠在持續(xù)數(shù)月的任務(wù)中不斷產(chǎn)生微小推力，但不宜充當(dāng)載人火星探測(cè)任務(wù)的主動(dòng)力裝置。

核動(dòng)力火箭想象圖

核聚變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最令相關(guān)領(lǐng)域科研人員神往，其工作原理是利用較輕的原子核聚合成較重的原子核，在這種熱核反應(yīng)的過(guò)程中釋放出驚人的能量?？上Ш司圩兛刂齐y題尚未被攻克，高能激光點(diǎn)火技術(shù)仍不夠可靠，所以這種發(fā)動(dòng)機(jī)仍處于理論研究階段，多見(jiàn)于科幻作品中。

目前，美國(guó)重點(diǎn)研制的核動(dòng)力火箭基于核裂變工作原理，又稱(chēng)核熱火箭，可以簡(jiǎn)單地理解為核電站“上天”，同樣消耗核燃料。啟動(dòng)后，工質(zhì)氣體流經(jīng)核反應(yīng)堆，吸收熱量，再?gòu)膰姽芗铀賴(lài)姵觯a(chǎn)生推力。未來(lái)，核裂變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)或許能使產(chǎn)物呈現(xiàn)出等離子狀態(tài)，工質(zhì)氣體被加熱后高速?lài)姵?，產(chǎn)生更可觀的推力或比沖。

使用核動(dòng)力火箭不代表著載人探火任務(wù)“高枕無(wú)憂(yōu)”，反而需要解決新問(wèn)題。比如，隨著航天員及其生活用品、工作設(shè)備增加，航天器會(huì)顯著增重，必然對(duì)核動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力提出更高的要求。

同時(shí)，核動(dòng)力固有的安全隱患必須引起高度重視，特別是核輻射對(duì)航天員健康的威脅。據(jù)悉，新一代核動(dòng)力火箭方案在核輻射安全方面已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展。

暢想不久的將來(lái)，核動(dòng)力火箭有望實(shí)用化，移民火星將不再是夢(mèng)想，而是人類(lèi)航天探索史上的關(guān)鍵飛躍。（作者：喻海川）