核裂變火箭可以讓火星之旅時間減半 目前仍在開發

10月16日消息，美國國家航空航天局計劃在未來十年內向火星發射載人航天任務，但1.4億英里（2.25億公里）的火星之旅可能需要幾個月甚至幾年的時間。

太空航行時間之所以相對較長，是因爲火箭使用的是傳統化學燃料。與目前開發的化學推進火箭不同，另一種被稱爲熱核推進的替代技術是利用核裂變爲火箭提供動力，未來有望將火星旅行時間縮短一半。

核裂變技術涉及到一個原子被中子擊中並分裂，同時釋放出大量能量。這個反應被稱爲裂變反應，裂變技術在發電和核動力潛艇方面已經有較爲成熟的應用。如果能用於推動火箭，可能會爲NASA提供一種比化學驅動火箭速度更快、推力更強大的替代方案。

NASA和美國國防高級研究計劃局（DARPA）正聯合開發核裂變技術。他們計劃2027年在太空中部署並展示原型系統的能力，這可能使其成爲美國建造和運營的首批類似系統。

未來，熱核推進技術也可以爲可操控的太空平臺提供動力，但這項技術仍在開發中。

佐治亞理工學院核工程副教授丹·科特亞（Dan Kotlyar）帶領的研究小組通過建模來改進和優化核動力推進系統。團隊成員希望通過這種方法，協助設計出能將宇航員送上火星的熱核推進引擎。

核動力與化學推進技術

傳統的化學推進系統是使用氫等輕型助推劑與氧化劑發生化學反應。當兩者混合在一起時就能點燃，使工作介質快速從噴嘴中噴出，推動火箭前進。

科學家和工程師正在研究的熱核推進系統是將氫推進劑泵入核反應堆來產生能量，然後將工作介質從噴嘴排出，從而推動火箭。

這些系統不需要任何形式的點火系統，因此具有較高的可靠性。與必須要攜帶氧化劑進入太空、增加自重的化學推進系統不同，熱核推進系統依靠的是核裂變反應來加熱推進劑，然後從噴嘴中排出產生推力。

在許多裂變反應中，研究人員向較輕的鈾同位素鈾-235發射中子。鈾會吸收中子，產生鈾-236，然後鈾-236分裂成兩個碎片，同時釋放出一些粒子。

目前世界上運行的400多個核反應堆使用的都是核裂變技術，其中大多數是輕水反應堆。這些裂變反應堆利用水來減緩中子的速度，並吸收和傳遞熱量。水可以直接在覈心或蒸汽發生器中產生蒸汽，從而驅動渦輪機發電。

熱核推進系統的工作原理相似，但使用的是含有更多鈾-235的核燃料。它們的工作溫度更高，產生的能量更大體積也更小。核動力推進系統的功率密度大約是傳統輕水反應堆的10倍。

核動力推進系統在幾個方面可能要比化學推進系統更有優勢。

核動力推進系統能從發動機噴嘴中迅速排出推進劑，產生更高推力，從而使火箭加速更快。

這些系統的比衝也更高。比衝值可以衡量推進劑產生推力的效率。核動力推進系統的比衝大約是化學驅動火箭的兩倍，這意味着它們可以將飛行時間縮短一半。

熱核推進技術的歷史

過去幾十年來，美國一直在支持熱核推進技術的研發。1955年至1973年間，NASA、通用電氣和阿貢國家實驗室的項目生產並在地面測試了20臺熱核推進引擎。

但這些1973年以前的設計用的是高濃縮鈾燃料。由於存在覈擴散的風險，現在已經不再使用這種燃料。

美國能源部和國家核安全管理局發起的“全球減少威脅倡議”旨在將許多使用高濃縮鈾燃料的研究型反應堆轉化爲高丰度低濃縮鈾燃料。

這種鈾燃料能發生裂變反應的物質較少，因此火箭需要裝載更多燃料，就會更重。爲了解決這個問題，研究人員正在尋找一種特殊材料，可以提高燃料利用效率。

NASA和DARPA開發的敏捷地月運行示範火箭（DRACO）打算在熱核推進引擎中使用高丰度低濃縮鈾燃料。項目計劃在2027年發射火箭。

作爲DRACO項目的一部分，航空航天公司洛克希德·馬丁與BWX技術公司合作開發反應堆和燃料設計。

這些機構正在開發的熱核推進引擎要符合特定的性能和安全標準，它們需要有一個能正常運轉並能執行必要機動前往火星的核心。

理想情況下，這種引擎應該能夠產生高比衝，同時滿足高推力和低重量的要求。

正在進行的研究

工程師設計出滿足所有這些標準的發動機之前，需要先建模和仿真。這些模型幫助佐治亞理工學院團隊等研究人員瞭解發動機如何進行啓動和關閉操作。這些操作都涉及到短時間內溫度和壓力的巨大變化。

熱核推進引擎也不同於所有現有的裂變動力系統，因此工程師們需要開發出相匹配的軟件工具。

佐治亞理工學院的研究團隊使用模型設計和分析熱核推進反應堆。研究人員對這些複雜的反應堆系統進行建模，觀察溫度變化等因素如何影響反應堆和火箭安全，模擬這些效應都需要大量昂貴的計算能力。

研究人員也一直在努力開發新的計算工具，實現用較少算力模擬這些反應堆在啓動和運行時的狀態。（辰辰）