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NASA表示将在2035年前,实现可以奔赴火星的核动力驱动飞船

航天航空 NASA
发布:2020-12-25 16:43:46    

近期,NASA和多家公司进行沟通,拟开发由核裂变及核聚变作为动力的星际飞船,目标是在2035年前,核动力驱动的飞船可以奔赴火星。

一、核动力潜力无限,燃料瓶颈尚待攻破

核火箭发动机的想法可以追溯到上世纪四十年代,在通常的设想中,化学火箭会先将飞船发射出低地球轨道之外,然后核动力火箭会“接棒”,作为推动力送飞船在星际中穿梭。

核反应堆释放的能量能将液态氢加热至2430摄氏度,约为核电站核心温度的八倍,推进剂也会以极快的速度喷出喷嘴。每单位质量核燃料提供的推力是化学燃料的两倍,从而使核动力飞船可以航行更长时间,并且在到达目的地时,核反应堆所释放的能量可以从推进系统转换到电力系统,这为飞船自身正常运行和向地球传输数据都提供了更好的保障。

如NASA首席工程师Jeff Sheehy所言,核动力对于火星探测这种星际旅行是很有利的,但核燃料是我们首先要解决的问题。

具体来说,燃料需要承受发动机内部的超高温和挥发性环境。

武器级、高浓缩铀的核火箭能提供足够推力,但可能不够安全;商业核电厂用的低浓度铀燃料使用起来更安全,但在高温和高浓度氢的的环境下,它们容易分解。

针对这个问题,与NASA合作的两家公司都各自提出了自己的解决方案。

位于西雅图的核安全技术公司Ultra Safe Nuchlear Technologies(下简称USNC-Tech)在铀燃料微粒上涂上一层微型陶瓷涂层,再放在碳化锆基体中,通过这种“隔离”方式,防止放射性裂变产生的副产物扩散的同时,也以微粒的方式加快散热。

USNC-Tech工程总监Michael Eades说:“因为这样的方式,所以即使我们的铀燃料浓度达到了20%,也能在保证火箭的推力的同时降低发生意外的风险。”

位于弗吉尼亚州的BWX Technologies(下简称BWX)也与NASA签订了合约,希望设计出陶瓷复合燃料形式,或者研究可以在金属基质中燃烧的替代燃料。该公司技术部门总经理Joe Miller表示,从2017年,他们就在进行反应堆的设计。

除了燃料,用于控制核裂变反应速度、维持连锁反应的慢化剂也很重要。

BWX通过在燃料块中散布在氢化物元素控制反应速度,USNC-Tech则将钹金属集成到燃料中。USNC-Tech工程总监Eades又指出,集成了钹金属的燃料可以经受住氢、辐射以及高温,且不会耗尽反应堆中的中子。

二、为更安全的核动力火箭,普林斯顿寻觅新方法

除了上述两家公司,普林斯顿等离子体物理实验室的科学家也为核火箭推进提出新设想,即不一样的聚变反应堆。

普林斯顿等离子体物理实验室的Samuel Cohen表示,目前主流的聚变反应是氢同位元素氘和氚的燃料,但它们都不够安全。

为了设计出一种更安全的小型核动力火箭,Cohen领导的小组正在制造一种新的反应堆,利用高温等离子体中氘原子和氦-3之间的聚变,这样反应中也会产生较少的中子。中子容易让钢铁结构在变脆的同时具有很强的放射性。

▲普林斯顿等离子体物理实验室的科学家正在用实验堆将聚变等离子体加热到一百万摄氏度

Cohen也表示采用新的燃料融合方式后,不仅所需化学原料的量变少,反应设备的体积也会缩小至原来的千分之一。

NASA的首席工程师Sheehy说,因为聚变反应释放的能量是裂变产生的能量的四倍,所以理论上聚变推进会优于基于裂变的推进。但目前这项技术还面临一些挑战,如产生和容纳等离子体、将释放出的能量有效地转化为定向射流等。

他说:“这些问题即使到2030年代后期,我们都未必能做解决。”

但USNC-Tech对这一目标满怀信心,工程总监Eades说:“我们目前已经基于新燃料制造了小型硬件原型,有望在2027年之前演示发射系统,实现NASA的目标。”

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