美国已开始核动力火箭的相关研究,航程更远、耗时更短

2020-06-03

尽管人类完成载人航天至今已有半个多世纪,但从太空探索范围来看,人类在太空中活动的范围一直并未真正远离自己的摇篮地球。从技术角度看,火箭的能量是导致探索范围受到制约的根本性因素!据美国《大众科学》网站近日报道,除了重返月球外,美国宇航局还将重点放在了火星探索上,所以新型核动力火箭的研发工作也已经正式展开。

美国SpaceX火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角发射中心升空

随着美国宇航局和埃隆.马斯克都把目光投向于火星探索,向深空进军、进行远程载人的任务即将到来。而核动力火箭是实现这一目标的新方法!与传统化学燃料火箭或现代太阳能电力火箭相比,核动力火箭有许多优点,但在过去40年中,美国只进行了8次运载核反应堆的太空发射。

美国最近一次研发热核动力火箭还是在1967年,但随着2019年美国修改了相应法案,核动力火箭的研发速度也会得到很大提升。试验显示,核动力火箭将会让远距离航行在两个方面得到巨大改善,即安全性和快速性。

地球到火星的太空旅途中,宇航员会因为很高的辐射导致一些类似癌症或不育症等严重健康问题!而核动力火箭的辐射屏蔽可以尽可能减少这种伤害,由于核动力的持续性,这种耗时较长的长距离探索自然可以由此得到保证。更主要的是,核动力会让飞行速度大幅提升,海王星探测器用时12年抵达目的地,美国认为如果换成更好的推进系统,就可以早得多地获得海王星照片等情报。

美国对核动力火箭的研发可以追溯到1967年

一旦飞船脱离地球引力,在比较任何推进系统时,有三个重要方面需要考虑:推力——系统推进能加速飞船的速度;质量效率——系统在给定燃料量下能产生多少推力;能量密度——给定量的燃料能产生多少能量。目前,最常用的推进系统是化学推进系统,即常规燃料火箭和太阳能电力推进系统。

化学推进系统提供了大推力,但化学火箭的效率并不高,火箭燃料的能量密度也不高。把宇航员送上月球的“土星五号”火箭在升空时产生了3500万牛顿的力,并携带了95万加仑的燃料。它需要大量的燃料才能到达任何地方,这也导致化学火箭的体积和重量居高不下!

电力推进系统是利用太阳能电池板产生的电力进而产生推力。最常见的方法是利用电场加速离子,比如霍尔推进器。太阳能看似是无限的,但是随着飞船离太阳越来越远,太阳能密度会越来越小,太阳能火箭发动机上的太阳光抛物面反射镜聚焦器获得的热能严重不足!

相比而言,核动力火箭在能量密度方面有无可估量的提升,其反应堆使用的铀燃料能量密度比传统化学燃料高出整整400万倍,这就极大节约了内部空间。

核动力火箭想象图

目前美国研发团队设想了两种主要的核动力系统,其一是热核推进,该系统功能强大且功率适中,工作时使用原理类似核潜艇动力装置的小型核裂变反应堆加热氢气等气体,随后气体通过火箭喷嘴加速提供推力,据计算这种热核推进动力火箭在飞往火星时会比化学动力火箭节约20-25%的时间。

核热推进系统的效率是化学推进系统的两倍多,这意味着使用相同质量的推进剂产生的推力是化学推进系统的两倍,并可以提供100000牛顿的推力。这足以让一辆车在大约四分之一秒内从0加速到接近100公里/小时的速度!

第二种则是核电推进系统,其原理是使用大功率裂变反应堆来发电,然后为霍尔推进器等电力推进系统提供动力。核电推进系统的效率大约是核热推进系统的三倍。由于核反应堆可以产生大量的能量,许多独立的电推进器可以同时工作以产生更大的推力。如果要执行超远距离的航行,无需太阳能推进系统无疑在效率和推力最大值上更胜一筹!

但是,尽管核动力火箭极具发展前景,但在投入使用前仍有许多技术问题需要解决。热核推进系统的研制工作始于20世纪60年代,但尚未进行太空飞行。上世纪70年代美国首次实施的法规要求任何核空间项目都要经过多个政府机构的逐案审批,并得到总统的明确批准。

当特朗普政府在2019年8月发布总统备忘录时,一切都改变了。在尽可能保证核发射安全的同时,新法规允许核材料含量较低的核任务跳过多机构的审批程序。只要像美国宇航局(NASA)这样的赞助机构证明任务符合安全建议即可。但更大规模的核任务仍然会像以前一样经历同样的审批程序。

随着这一法规的修订,美国宇航局在2019年的国防预算中获得了1亿美元资金支持,用于发展核热推进系统。国防高级研究计划局还正在开发一种空间热核推进系统,以便在地球轨道之外开展国家安全行动。

在经过了近60年的停滞后,核动力火箭有可能在10年内飞向太空。这一令人振奋的成就将开创太空探索的新时代!人们将前往火星乃至更远的星球就都不再是遥远的梦想了。

来源:今日头条