火箭论文1000
因为这个演讲，坐满了美国国家航空航天局(美国国家航空航天局)工程师的会议室爆发出雷鸣般的掌声。每个人都明白这个信息，简而言之，发展核动力火箭，把人类送上火星！
事实上，这并不突然:早在几年前，美国国家航空航天局报告和会议上的研究和展览都充满了关于核能的暗示。
美国国家航空航天局的导演吉姆·布里登经常谈论这个话题，并从不掩饰他的兴奋。而且，美国国会也开始为这项技术的研发提供资金:仅2020年，拨款就不低于6543.8美元+0.25亿美元。可以肯定的是，十几个实验室和企业都在悄悄从事相关研究。
“毫无疑问，美国希望在几年内研制出核动力火箭的样机。”CNES液体推进研究负责人斯特凡·奥里奥尔说。
原子发射车？请注意，这并不是旅行者号、卡西尼-惠更斯号、好奇号和火星2020号等进入太空的探测器使用的功率约为1，000瓦的小型同位素发生器——那些设备只能从钚-238衰变产生的热量中获得微弱的能量。
这一次，美国国家航空航天局明确考虑使用真正的核反应堆，使其中的铀-235燃料块裂变并产生连锁反应，输出约5亿瓦的热能！随即液态氢在这样的高温环境(温度接近3000℃)下汽化膨胀，然后迅速喷出，反应形成推力。
也许在人们眼里，在航天运载火箭上使用一项遭到大规模反对的技术，更像是一部拙劣的科幻电影的场景，或者是美国政府的又一次挑衅。毕竟大家都知道这个放射性装置可能存在的风险。
然而，对于未来几十年远距离载人任务的设计者来说，这项饱受诟病的技术的诱惑是巨大的，甚至是不可抗拒的。所有的计算都是一致的，一个核反应堆产生的推力高达654.38+百万牛顿，比现在的化学推进，也就是通过氢氧化物爆炸的推进，效率高一倍。
在这样一个追求轻量化和高速化的行业，核动力的优势一目了然:同样的推力，一半的油耗，但最终的速度却快了一倍。
事实上，核能是一种高度浓缩的能源:1公斤铀-235相当于燃烧270万吨煤。利用核裂变技术，不需要携带几十吨氧气进行燃烧，只需要携带宇宙中最轻的元素氢，然后将其弹射出去。
“加速管道出口处的氢气比加速化学发动机燃烧产生的大量水分子要容易得多，所以前者效率更高。”斯特凡·奥雷尔指出。
其他推进方式也难以匹敌。诚然，离子发动机电推进的效率高于核动力，但“离子发动机产生的推力非常微弱，只有牛顿的几分之一，因此需要很长时间才能达到长距离任务所需的速度，不适合载人任务”，美国国家航空航天局马歇尔航天飞行中心(MSFC)的推进工程师威廉·艾姆里奇(William Emrich)强调说。同样，太阳帆也不能工作。
重量轻、效率高、推力大，利用原子能可以大大降低载人火星之旅的难度。目前，对于基于化学推进设计的飞行任务来说，材料运输是一场噩梦，也是一个不可能完成的挑战:
工程师最多只能将500吨材料和燃料送入地球轨道，以维持飞船的完整性；他们还得考虑行星的方位，也就是26个月才出现一次的短暂窗口期(持续3或4周)——为了等待最佳方位，宇航员可能会被困火星近1.5年；此外，去火星需要很长时间——至少六个月，这将使遭受微重力、宇宙射线和极度孤独的宇航员面临严重的身体和心理问题。
“化学推进可以把人类送上地球轨道或者月球，甚至火星，但是在地球和火星之间往返是不现实的。”William Enrich总结道。
核能的使用可能会减少航天器燃料的重量，并实现更快的速度。根据美国国家航空航天局的初步模拟，与使用化学推进相比，地球往返火星的旅行时间可以缩短20%至50%，这使得发射更加灵活。“即使两颗行星之间的相对位置不是那么理想，工程师也可以发射，这扩大了发射窗口，他们也可以探索使用化学推进和电力推进时无法实现的路线，”斯特凡·奥勒尔指出。
有鉴于此，美国国家航空航天局计划在“火星冲向太阳”(火星和地球在太阳的同一侧成一条直线)期间利用原子能发射任务，以防止宇航员在火星停留太久。此举可能会将任务的总持续时间从900多天缩短至500天，从而为火星探索留下足够的时间，并降低宇航员面临的风险。
更重要的是，如果人们遇到核发动机的严重问题，他们有机会立即终止任务，并在飞行开始后的三个月内返回地球，甚至是刚刚到达火星。如果使用化学推进器，一旦进入地火转移轨道，火箭只能在几个小时或最多几天的窗口期内返回地球。这些安全保证对工程师的重要性不言而喻。
核推进技术仍然握有最后一张王牌:它实际上是美国国家航空航天局工程师的“老朋友”。其实从1955到1973，这个机构已经就这个问题整理了一套完整的研究方案。
相关团队已经建造并测试了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几个原型进行了深入测试。
后来该项目被放弃，但不是因为技术原因，而是美国开始专注于航天飞机的研究。
现在，“我们可以使用这个项目收集的数据，这真是一座金矿”，美国阿拉巴马大学系统工程教授戴尔·托马斯高兴地说。但发射安全、材料强度、避免辐射损伤都是需要解决的问题。此外，和其他核反应堆一样，可能出现的温度下降和失控反应也需要注意。当然，理论上，没有什么是不可克服的。
在工程师的办公室里，空间反应堆的草图已经放回了桌子上。除了美国国家航空航天局，美国国防高级研究计划局(DARPA)最近启动了一个核推进项目，以更好地控制地月空间，甚至在这里作战。原型车预计将于2025年发布。"俄罗斯和中国也在研究这项技术."斯特凡·奥雷尔指出。
直接推力并不是唯一的选择:一些航天器可能能够通过携带核反应堆为离子推进器提供动力。这种混合技术起步较慢，但效率极高，能以极低的成本将大量货物送往火星或月球。它还可以轻而易举地把十几吨的科技物资送到木星或土星的卫星上，或者参与太空资源的开发。
“事实上，太阳系中90%以上的空间是人类无法在合理的时间范围内通过化学推进到达的，而且随着航天器逐渐远离太阳，辐射的强度会越来越弱，因此不可能使用太阳能电池技术到达这些地方。”斯特凡·奥雷尔分析道，“与行星、行星和小行星的领土化相关的话题层出不穷，解决地球甚至火星以外的物质运输成为真正的战略问题，核能似乎是到达太阳系深处的必要手段。”即使是现在，核能也被视为火星或月球基地不可或缺的动力来源。
人们最终会明白，今天的航天工程师已经被核能的魅力征服了。从纯技术的角度来看，采用这种方案的意义是显而易见的。
事实上，在法律层面没有问题:《外层空间条约》只是禁止将核武器送入轨道或其他天体。但是，怎样才能让人相信研究可以顺利进行呢？怎能忽视发射场周边和核动力飞船飞行轨迹下的民众的巨大恐惧？许多论据支持使用核能，但放射性发射方法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·罗卡尔承认。
在航空工程领域，从1970年代到1980年代，为苏联卫星供电的核反应堆因为失败而给世人留下了苦涩的回忆。1978 65438+10月24日，核动力卫星Kosmos954在加拿大北部坠毁。为了消除它造成的污染，人们采取了许多补救措施。此外，在1997年发射之前，带有小型钚发生器的卡西尼-惠更斯探测器也遇到了许多抗议。
鉴于上述担忧，美国国家航空航天局计划不在发射时点燃反应堆，而是在飞船到达足够高(海拔1000 km以上)的稳定轨道后点燃，从而保护人。1992年，联合国还投票通过决议，禁止飞船在起飞过程中进行任何形式的核裂变。
此外，美国国家航空航天局不会让放射性火箭返回地球:推进舱将进入“墓地”轨道，宇航员将使用驾驶舱返回地面，就像从国际空间站返回一样。
在地面测试期间，各种预防措施也将落实到位。现在已经不是1960年代那种可以随意实验的年代了——那时候人们把可能被放射性燃料颗粒污染的氢气无情地排放到大气中。美国国家航空航天局的工程师们正在开发一种有毒灰尘的回收装置，并考虑将其用于美国国家航空航天局在密西西比州的A-3测试台上。
为了平息争议，“美国国家航空航天局也考虑过根据反应堆的计算机模拟结果进行研究，就像核试验一样，”戴尔·托马斯进一步解释道。此外，首次无人飞行测试的设计者还将重点放在路线规划上，以避免航天器随后与地球相撞。
那么，这些预防措施够了吗？“核技术开启了新的飞行领域，但我认为无论采取什么预防措施，人们都无法接受。”法国国家高级航空航天学院(ISAE)的航空航天系统工程副教授斯特凡尼·利兹-杜特雷(Sté phanie Lizy-Dutray)坦言，“当我与圭亚那航天中心的负责人交谈时，他们说这仍然是一个禁忌，因为他们不想引发发射场周围的游行。”
无论是在实验室，还是在公众的认知中，空间原子技术的命运都可能迎来重大进展。“将人类和物资送上火星的关键时刻即将到来，”弗朗西斯·罗卡尔强调说。“要实现首次载人飞越火星而不着陆，美国人应该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)已经开始咨询专家。“我迫不及待地想知道他们最终会在报告中推荐哪种技术。”戴尔·托马斯嘀咕道。
是坚守传统又让人放心的化学推进技术，还是屈服于核推进技术的诱惑？是时候选择了。
作者文森特·努里加特
编译王娟