2023年1月，NASA和DARPA宣布將聯(lián)合開展“敏捷地月空間驗(yàn)證火箭”(DRACO)計(jì)劃，總經(jīng)費(fèi)預(yù)算為4.99億美元。

這項(xiàng)計(jì)劃最值得關(guān)注的地方，在于它將搭載航天飛行器X-NTRV，進(jìn)行世界首次核動(dòng)力火箭的在軌飛行。

X-NTRV的概念想象圖

(資料圖)

該項(xiàng)目中，由美國國家航空航天局（NASA）負(fù)責(zé)研制基于核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的新型推進(jìn)系統(tǒng)，美國國防部預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）負(fù)責(zé)在X-NTRV航天器上集成核熱推進(jìn)系統(tǒng)，美國天軍負(fù)責(zé)航天器發(fā)射。NASA希望通過使用核熱推進(jìn)技術(shù)縮短前往火星的時(shí)間，美軍則希望提高在地月空間機(jī)動(dòng)能力。

目前以洛馬為首的多企業(yè)團(tuán)隊(duì)，正在與NASA和DARPA合作，研發(fā)可重復(fù)使用的X-NTRV核熱推進(jìn)（NTP）航天器，并計(jì)劃在2027年實(shí)現(xiàn)太空飛行。

負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的DARPA主任Stefanie Tompkins在公開采訪中表示，太空領(lǐng)域?qū)τ诂F(xiàn)代商業(yè)、科學(xué)發(fā)現(xiàn)和國家安全至關(guān)重要。通過DRACO核熱火箭計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)空間技術(shù)跨越式進(jìn)步的能力，對(duì)于更有效更快速地將材料運(yùn)送到月球并最終將人類運(yùn)送到火星至關(guān)重要。

一種HALEU核燃料

DRACO計(jì)劃以美國早年的核動(dòng)力火箭研究（比如NERVA計(jì)劃）作為基礎(chǔ)。出于防止擴(kuò)散等因素，新的核動(dòng)力火箭沒有使用高濃縮鈾作為燃料，而是采用了高含量低濃縮鈾（HALEU）。鈾原料由美國能源部提供，而洛馬團(tuán)隊(duì)之一的BWX科技公司負(fù)責(zé)開發(fā)核反應(yīng)堆并制造燃料。

為了減少項(xiàng)目的潛在風(fēng)險(xiǎn)，搭載核動(dòng)力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的X-NTRV將由美國空軍的常規(guī)化學(xué)燃料火箭發(fā)射升空，直到進(jìn)入預(yù)定軌道以后才會(huì)啟動(dòng)反應(yīng)堆。

01誘人的性能前景

核燃料中蘊(yùn)含的核能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)燃料中的化學(xué)能。在設(shè)計(jì)合理得當(dāng)?shù)那疤嵯?，通過核反應(yīng)堆釋放能量、將推進(jìn)劑加熱成高溫高速噴流的核動(dòng)力火箭，可以獲得遠(yuǎn)超化學(xué)能火箭的性能。通常認(rèn)為核動(dòng)力火箭的總體效率，可以達(dá)到化學(xué)能火箭的2—5倍。

以衡量火箭性能的關(guān)鍵指標(biāo)“比沖”為例：

在現(xiàn)有的技術(shù)能力條件下，固體燃料堆芯的核熱火箭，可以將作為工質(zhì)的氫加熱到2000~3000K的溫度，實(shí)現(xiàn)800~1000秒的比沖。而在一些理論計(jì)算結(jié)果中，核火箭在反應(yīng)堆中裂變物質(zhì)處于氣相（實(shí)際上是等離子體態(tài)）的情況下，可以將作為工質(zhì)的氫加熱到6000K的高溫（但現(xiàn)在沒有材料和結(jié)構(gòu)能承受），從而獲得高達(dá)2000秒的比沖。

化學(xué)燃料火箭的典型結(jié)構(gòu)原理

核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)原理

液氫/液氧火箭的比沖，最大通常也只有455秒左右——這基本達(dá)到了化學(xué)能火箭的性能極限。即使是堪稱“喪心病狂”的液氫/液氟燃料組合，在付出了不可接受的毒性、腐蝕性、成本代價(jià)后，比沖甚至還不到480秒。

在現(xiàn)有的理論框架支持下，只有基于金屬氫燃料的火箭，其理論性能潛力可以接近核火箭，極限比沖可以達(dá)到1700秒左右。但就連“金屬氫能否在常壓常溫下存在”這個(gè)最基本的問題，現(xiàn)在都沒有確定的答案，金屬氫燃料火箭的實(shí)用化前景也就無從談起。

相對(duì)于化學(xué)燃料火箭，要實(shí)現(xiàn)性能上質(zhì)的突破，可見未來內(nèi)只有核熱火箭是可行的技術(shù)路徑。

02為何至今未實(shí)用化？

核動(dòng)力火箭并不是一種新鮮的想法。利用核能上太空的幻想和預(yù)言出現(xiàn)在20世紀(jì)初期，在50年代就進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性研發(fā)和地面試驗(yàn)驗(yàn)證階段——特別是美國和蘇聯(lián)。但在20世紀(jì)70年代初到80年代初的十余年中，美國和蘇聯(lián)先后放緩甚至是完全停止了核動(dòng)力火箭的研究；直到今天，全世界范圍內(nèi)都沒有實(shí)用化的核動(dòng)力火箭。

總體來說，核動(dòng)力火箭自20世紀(jì)70—80年代以來的實(shí)用化受阻，主要源于以下幾個(gè)因素：

美國冷戰(zhàn)時(shí)期研究的NERVA核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

首先，核動(dòng)力火箭在技術(shù)上存在遠(yuǎn)大于化學(xué)燃料火箭的障礙。包括但不限于材料、冶金、熱工、材料強(qiáng)度、輻照穩(wěn)定性、振動(dòng)穩(wěn)定性、試驗(yàn)技術(shù)、測量技術(shù)......在大量的關(guān)鍵領(lǐng)域，核動(dòng)力火箭均遭遇了在當(dāng)時(shí)難以解決的困難——很多技術(shù)難關(guān)在今天依然非常棘手。

其次，化學(xué)燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在二戰(zhàn)結(jié)束以后的快速進(jìn)步，使它們足以廉價(jià)、可靠、迅速地承擔(dān)起所有從地表到近地空間范圍內(nèi)的進(jìn)攻/防御需求；這導(dǎo)致核火箭在軍用領(lǐng)域完全失去競爭力，軍隊(duì)也不再關(guān)心和投入資源。

軍事需求的削弱，使核動(dòng)力火箭的應(yīng)用更依賴于非軍事目的的航天科研項(xiàng)目。隨著登月競爭中的失利，以火星為目標(biāo)的太陽系行星間載人飛行計(jì)劃，已經(jīng)成為了核動(dòng)力火箭唯一的需求依托。

20世紀(jì)60—70年代重型航天火箭的“核/化學(xué)”路線之爭，以“土星五號(hào)”登月為標(biāo)志，宣告化學(xué)燃料路線取得了無可置疑的勝利。

在70年代初，由于登月計(jì)劃和越南戰(zhàn)爭帶來的經(jīng)濟(jì)重負(fù)等一系列原因；美國的核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃不斷收縮，并在1973年停止，相關(guān)試驗(yàn)臺(tái)架和生產(chǎn)設(shè)施也被封存。在80年代初，蘇聯(lián)也意識(shí)到“在未來幾十年。將核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為空間飛行器的主噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是不可能的。”

最后，環(huán)保壓力同樣是不容忽視的因素。實(shí)事求是地說，直到現(xiàn)在為止，空間核裝置在演練和運(yùn)行時(shí)的輻射安全問題都是缺乏有效保障的——比如一旦火箭在升空過程中爆炸，沒有任何辦法能阻止大量核燃料粉塵向大氣層中不受控制地?cái)U(kuò)散彌漫。

切爾諾貝利等一系列嚴(yán)重核事故之后，對(duì)于安全和環(huán)保的顧慮，已經(jīng)成為核火箭發(fā)展的最大阻礙

在20世紀(jì)50—70年代，針對(duì)核污染的擔(dān)憂，在各國還沒有形成足夠強(qiáng)的輿論和政治力量，自然也并沒有對(duì)核火箭的發(fā)展形成顯著性的影響。但在20世紀(jì)80年代以后就完全不同了，切爾諾貝利核電站事故就對(duì)蘇聯(lián)政局形成了極大的沖擊，并直接導(dǎo)致蘇聯(lián)核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研究工作無限期停滯。

03結(jié)論

航空航天技術(shù)、核技術(shù)在近幾十年中的高速發(fā)展，實(shí)際上已經(jīng)掃除了核動(dòng)力發(fā)展的絕大部分障礙，這也是DRACO計(jì)劃得以實(shí)施的基礎(chǔ)。但是核裝置本身特殊的運(yùn)行維護(hù)要求、一旦遭遇災(zāi)難性所引發(fā)的污染后果，都意味著極為昂貴和沉重的經(jīng)濟(jì)成本、政治風(fēng)險(xiǎn)代價(jià)，實(shí)際上在20世紀(jì)80年代之后，這些非技術(shù)性的因素，才是阻礙核動(dòng)力火箭發(fā)展并走向?qū)嵱没淖钪饕颉?/p>

從現(xiàn)有的航天需求來看，核動(dòng)力火箭真正能體現(xiàn)出巨大優(yōu)勢的任務(wù)背景，只能是載人飛向火星。兩個(gè)行星間的距離是如此遙遠(yuǎn)，只有核動(dòng)力火箭才能獲得更為靈活的發(fā)射時(shí)間和地點(diǎn)選擇余地，并攜帶更大的載荷，用更短的時(shí)間（這意味著更少的途中物資消耗）完成飛行過程，其獲得的性能收益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出涉核所帶來的高額代價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)。

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