核裂变火箭可以让火星之旅时间减半 目前仍在开

10月16日消息，美国国家航空航天局计划在未来十年内向火星发射载人航天任务，但1.4亿英里（2.25亿公里）的火星之旅可能需要几个月甚至几年的时间。

太空航行时间之所以相对较长，是因为火箭使用的是传统化学燃料。与目前开发的化学推进火箭不同，另一种被称为热核推进的替代技术是利用核裂变为火箭提供动力，未来有望将火星旅行时间缩短一半。

核裂变技术涉及到一个原子被中子击中并分裂，同时释放出大量能量。这个反应被称为裂变反应，裂变技术在发电和核动力潜艇方面已经有较为成熟的应用。如果能用于推动火箭，可能会为NASA提供一种比化学驱动火箭速度更快、推力更强大的替代方案。

NASA和美国国防高级研究计划局（DARPA）正联合开发核裂变技术。他们计划2027年在太空中部署并展示原型系统的能力，这可能使其成为美国建造和运营的首批类似系统。

未来，热核推进技术也可以为可操控的太空平台提供动力，但这项技术仍在开发中。

佐治亚理工学院核工程副教授丹·科特亚（Dan Kotlyar）带领的研究小组通过建模来改进和优化核动力推进系统。团队成员希望通过这种方法，协助设计出能将宇航员送上火星的热核推进引擎。

核动力与化学推进技术

传统的化学推进系统是使用氢等轻型助推剂与氧化剂发生化学反应。当两者混合在一起时就能点燃，使工作介质快速从喷嘴中喷出，推动火箭前进。

科学家和工程师正在研究的热核推进系统是将氢推进剂泵入核反应堆来产生能量，然后将工作介质从喷嘴排出，从而推动火箭。

这些系统不需要任何形式的点火系统，因此具有较高的可靠性。与必须要携带氧化剂进入太空、增加自重的化学推进系统不同，热核推进系统依靠的是核裂变反应来加热推进剂，然后从喷嘴中排出产生推力。

在许多裂变反应中，研究人员向较轻的铀同位素铀-235发射中子。铀会吸收中子，产生铀-236，然后铀-236分裂成两个碎片，同时释放出一些粒子。

目前世界上运行的400多个核反应堆使用的都是核裂变技术，其中大多数是轻水反应堆。这些裂变反应堆利用水来减缓中子的速度，并吸收和传递热量。水可以直接在核心或蒸汽发生器中产生蒸汽，从而驱动涡轮机发电。

热核推进系统的工作原理相似，但使用的是含有更多铀-235的核燃料。它们的工作温度更高，产生的能量更大体积也更小。核动力推进系统的功率密度大约是传统轻水反应堆的10倍。

核动力推进系统在几个方面可能要比化学推进系统更有优势。

核动力推进系统能从发动机喷嘴中迅速排出推进剂，产生更高推力，从而使火箭加速更快。

这些系统的比冲也更高。比冲值可以衡量推进剂产生推力的效率。核动力推进系统的比冲大约是化学驱动火箭的两倍，这意味着它们可以将飞行时间缩短一半。

热核推进技术的历史

过去几十年来，美国一直在支持热核推进技术的研发。1955年至1973年间，NASA、通用电气和阿贡国家实验室的项目生产并在地面测试了20台热核推进引擎。

但这些1973年以前的设计用的是高浓缩铀燃料。由于存在核扩散的风险，现在已经不再使用这种燃料。

美国能源部和国家核安全管理局发起的“全球减少威胁倡议”旨在将许多使用高浓缩铀燃料的研究型反应堆转化为高丰度低浓缩铀燃料。

这种铀燃料能发生裂变反应的物质较少，因此火箭需要装载更多燃料，就会更重。为了解决这个问题，研究人员正在寻找一种特殊材料，可以提高燃料利用效率。

NASA和DARPA开发的敏捷地月运行示范火箭（DRACO）打算在热核推进引擎中使用高丰度低浓缩铀燃料。项目计划在2027年发射火箭。

作为DRACO项目的一部分，航空航天公司洛克希德·马丁与BWX技术公司合作开发反应堆和燃料设计。

这些机构正在开发的热核推进引擎要符合特定的性能和安全标准，它们需要有一个能正常运转并能执行必要机动前往火星的核心。

理想情况下，这种引擎应该能够产生高比冲，同时满足高推力和低重量的要求。

正在进行的研究

工程师设计出满足所有这些标准的发动机之前，需要先建模和仿真。这些模型帮助佐治亚理工学院团队等研究人员了解发动机如何进行启动和关闭操作。这些操作都涉及到短时间内温度和压力的巨大变化。

热核推进引擎也不同于所有现有的裂变动力系统，因此工程师们需要开发出相匹配的软件工具。

佐治亚理工学院的研究团队使用模型设计和分析热核推进反应堆。研究人员对这些复杂的反应堆系统进行建模，观察温度变化等因素如何影响反应堆和火箭安全，模拟这些效应都需要大量昂贵的计算能力。

研究人员也一直在努力开发新的计算工具，实现用较少算力模拟这些反应堆在启动和运行时的状态。（辰辰）