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为了安全地探索太阳系和太阳系以外的地方,宇宙飞船需要走得

美国国家航空航天局和埃隆·马斯克都梦想着火星,长途载人航天任务即将到来。但你可能会惊讶地发现,现代火箭的速度并不比过去的火箭快多少。

有很多理由可以说明更快的宇宙飞船更好,而核动力火箭是实现这一目标的一种方式。与传统的燃料火箭或现代的太阳能电力火箭相比,它们有很多好处,但在过去40年里,美国只有8次太空发射携带核反应堆。

然而,去年管制核太空飞行的法律发生了变化,新一代火箭的研制工作已经开始。

为什么需要速度?

太空旅行的第一步包括使用火箭将飞船送入轨道。这些是人们在想到火箭发射时想象的大型燃油发动机,由于重力的限制,在可预见的未来不太可能消失。

只有当飞船到达太空时,事情才会变得有趣起来。为了逃离地球的引力并到达外太空目的地,飞船需要额外的加速度。这就是核系统发挥作用的地方。如果宇航员想要探索比月球或者火星更远的地方,他们需要非常非常快的速度。空间很大,一切都很遥远。

更快的火箭更适合长途太空旅行有两个原因:安全和时间。

去火星旅行的宇航员会暴露在非常高的辐射下,这可能会导致严重的长期健康问题,如癌症和不孕症。辐射屏蔽会有所帮助,但它非常重,而且任务越长,需要的屏蔽就越多。减少辐射暴露的一个更好的方法就是更快地到达你要去的地方。

但人类的安全并不是唯一的好处。随着太空探索的深入,尽快从无人飞行任务中获取数据是很重要的。“旅行者2号”花了12年时间才到达海王星,在那里它飞过时拍下了一些令人难以置信的照片。如果“旅行者2号”有一个更快的推进系统,天文学家就可以得到这些照片和它们多年前包含的信息。

速度是好的。但是为什么核系统更快呢?

今天的系统

一旦一艘船脱离了地球引力,在比较任何推进系统时,有三个重要方面需要考虑:

今天,最常用的推进系统是化学推进系统(也就是普通的燃料火箭)和太阳能电力推进系统。

化学推进系统提供了大量的推力,但化学火箭的效率不是特别高,而且火箭燃料的能量密度也不高。搭载宇航员登月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。虽然大部分燃料都用于将火箭送入轨道,但其局限性是显而易见的:它需要大量的重油才能到达任何地方。

电力推进系统利用太阳能电池板产生的电力产生推力。最常用的方法是利用电场来加速离子,比如霍尔推力器。这些设备通常用来给卫星提供动力,其质量效率是化学系统的5倍以上。但是它们产生的推力要小得多——大约3牛顿,或者只够让一辆车在大约两个半小时内从0-60英里每小时加速。能量来源——太阳——本质上是无限的,但是当船离太阳越远,它的用处就越小。

核动力火箭有希望的原因之一是它们提供了令人难以置信的能量密度。在核反应堆中使用的铀燃料的能量密度比肼高400万倍,肼是一种典型的化学火箭推进剂。比起数十万加仑的燃料,将少量铀送入太空要容易得多。

那么推力和质量效率呢?

核能的两种选择

工程师们为太空旅行设计了两种主要的核系统。

第一种被称为核热推进。这些系统非常强大,效率还算不错。他们使用一种小型核裂变反应堆——类似于在核潜艇中发现的那种——加热气体,比如氢气,然后气体通过火箭喷嘴加速以提供推力。美国国家航空航天局的工程师估计,用核能热推进的火星之旅将比用化学燃料火箭的旅行短20%-25%。

核热推进系统的效率是化学推进系统的两倍多,这意味着它们使用相同数量的推进剂产生的推力是化学推进系统的两倍,可以提供10万牛顿的推力。这足以让一辆车在四分之一秒内从0-60英里每小时加速。

第二种核动力火箭系统被称为核动力电力推进。目前还没有核电力系统建成,但其想法是使用大功率裂变反应堆来发电,然后为电力推进系统提供动力,就像霍尔推进器一样。这将是非常有效的,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,许多单独的电力推进器可以同时运行来产生大量的推力。

核电力系统将是极端远程任务的最佳选择,因为它们不需要太阳能,有很高的效率,可以提供相对高的推力。虽然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。

为什么还没有核动力火箭?

核热推进系统从20世纪60年代就开始研究,但还没有在太空中飞行过。

美国于上世纪70年代开始实施的相关规定,本质上是要求多个政府机构对任何核空间项目进行个案审查和批准,并获得总统的明确批准。由于缺乏用于核火箭系统研究的资金,这种环境阻碍了用于太空的核反应堆的进一步改进。

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。在坚持尽可能保证核发射安全的同时,新指令允许核任务在核材料数量较少的情况下跳过多机构批准程序。只有赞助机构,比如美国国家航空航天局(NASA)需要证明该任务符合安全建议。更大规模的核任务将经历与以前相同的过程。

随着法规的修订,NASA在2019年的预算中收到了1亿美元,用于开发核热推进。美国国防部高级研究计划局还在开发一种太空核热推进系统,使国家安全行动能够超越地球轨道。

在经历了60年的停滞之后,核动力火箭有可能在10年内飞向太空。这一激动人心的成就将开创太空探索的新时代。人们将前往火星,科学实验将在整个太阳系乃至更远的地方有新的发现。

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