美國國家航空航天局計(jì)劃在未來十年內(nèi)向火星發(fā)射載人飛船——但是1.4億英里(2.25億公里)的火星之旅可能需要幾個(gè)月到幾年的往返時(shí)間。

這種相對較長的運(yùn)輸時(shí)間是使用傳統(tǒng)化學(xué)火箭燃料的結(jié)果。該機(jī)構(gòu)目前開發(fā)的化學(xué)推進(jìn)火箭的另一種替代技術(shù)被稱為核熱推進(jìn)技術(shù)，它利用核裂變，有朝一日可以為火箭提供動力，只用一半的時(shí)間就能完成行程。

核裂變涉及到收集原子被中子分裂時(shí)釋放的難以置信的大量能量。這個(gè)反應(yīng)被稱為裂變反應(yīng)。裂變技術(shù)在發(fā)電和核動力潛艇方面已經(jīng)很成熟，將其應(yīng)用于火箭的驅(qū)動或動力可能有一天會給NASA提供一種比化學(xué)驅(qū)動火箭更快、更強(qiáng)大的替代方案。

NASA和國防高級研究計(jì)劃局正在聯(lián)合開發(fā)NTP技術(shù)。他們計(jì)劃在2027年在太空中部署并展示原型系統(tǒng)的能力，這可能使其成為美國建造和運(yùn)營的首批此類系統(tǒng)之一

有一天，核熱推進(jìn)也可以為機(jī)動空間平臺提供動力，以保護(hù)地球軌道內(nèi)外的美國衛(wèi)星。但這項(xiàng)技術(shù)仍在發(fā)展中。

我是佐治亞理工學(xué)院核工程副教授，我的研究小組建立模型和模擬來改進(jìn)和優(yōu)化核動力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。我的希望和熱情是協(xié)助設(shè)計(jì)核動力推進(jìn)引擎，將載人任務(wù)帶到火星。

核動力與化學(xué)推進(jìn)

傳統(tǒng)的化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)使用一種化學(xué)反應(yīng)，包括一種輕推進(jìn)劑，如氫和一種氧化劑。當(dāng)兩者混合在一起時(shí)，就會點(diǎn)燃，導(dǎo)致推進(jìn)劑很快從噴嘴中噴出，推動火箭前進(jìn)。

這些系統(tǒng)不需要任何形式的點(diǎn)火系統(tǒng)，所以它們是可靠的。但這些火箭進(jìn)入太空時(shí)必須攜帶氧氣，氧氣會使火箭重量下降。與化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)不同，核熱推進(jìn)系統(tǒng)依靠核裂變反應(yīng)來加熱推進(jìn)劑，然后從噴嘴中噴出以產(chǎn)生推動力或推力。

在許多裂變反應(yīng)中，研究人員向鈾的較輕同位素鈾-235發(fā)射一個(gè)中子。鈾吸收中子，產(chǎn)生鈾-236。然后鈾-236分裂成兩個(gè)碎片——裂變產(chǎn)物——反應(yīng)釋放出一些不同的粒子。

目前世界上運(yùn)行的400多個(gè)核反應(yīng)堆使用的是核裂變技術(shù)。這些運(yùn)行中的核反應(yīng)堆大多數(shù)是輕水反應(yīng)堆。這些裂變反應(yīng)堆利用水來減緩中子的速度，并吸收和傳遞熱量。水可以直接在核心或蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生蒸汽，從而驅(qū)動渦輪機(jī)發(fā)電。

核熱推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理與此類似，但它們使用的是含有更多鈾-235的不同核燃料。它們也可以在更高的溫度下工作，這使得它們非常強(qiáng)大和緊湊。核動力推進(jìn)系統(tǒng)的功率密度大約是傳統(tǒng)輕水反應(yīng)堆的10倍。

由于幾個(gè)原因，核動力推進(jìn)可能比化學(xué)推進(jìn)更有優(yōu)勢。

核動力推進(jìn)將從發(fā)動機(jī)噴嘴中迅速排出推進(jìn)劑，產(chǎn)生高推力。這種高推力使火箭能夠更快地加速。

這些系統(tǒng)也有很高的比沖。比沖測量推進(jìn)劑產(chǎn)生推力的效率。核動力推進(jìn)系統(tǒng)的比沖大約是化學(xué)火箭的兩倍，這意味著它們可以將飛行時(shí)間縮短2倍。

核熱推進(jìn)歷史

幾十年來，美國政府一直在資助核熱推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。1955年至1973年間，美國國家航空航天局、通用電氣和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目生產(chǎn)并在地面測試了20臺核熱推進(jìn)發(fā)動機(jī)。

但這些1973年以前的設(shè)計(jì)依賴于高濃縮鈾燃料。由于存在擴(kuò)散危險(xiǎn)，或與核材料和核技術(shù)擴(kuò)散有關(guān)的危險(xiǎn)，這種燃料已不再使用。

由美國能源部和國家核安全管理局發(fā)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堆轉(zhuǎn)化為高含量、低濃縮鈾燃料。

與高濃縮鈾燃料相比，高含量、低濃度的鈾燃料具有較少能夠發(fā)生裂變反應(yīng)的物質(zhì)。因此，火箭需要裝載更多的高濃氫燃料，這會使發(fā)動機(jī)更重。為了解決這個(gè)問題，研究人員正在尋找一種特殊材料，可以在這些反應(yīng)堆中更有效地利用燃料。

NASA和DARPA的敏捷地月操作演示火箭(簡稱DRACO)計(jì)劃打算在其核熱推進(jìn)發(fā)動機(jī)中使用這種高含量、低濃縮鈾燃料。該項(xiàng)目計(jì)劃在2027年發(fā)射火箭。

作為DRACO項(xiàng)目的一部分，航空航天公司洛克希德·馬丁公司與BWX技術(shù)公司合作開發(fā)反應(yīng)堆和燃料設(shè)計(jì)。

這些集團(tuán)正在開發(fā)的核熱推進(jìn)發(fā)動機(jī)將需要符合特定的性能和安全標(biāo)準(zhǔn)。他們需要有一個(gè)核心，可以在任務(wù)期間運(yùn)行，并執(zhí)行快速前往火星的必要操作。

理想情況下，發(fā)動機(jī)應(yīng)該能夠產(chǎn)生高比脈沖，同時(shí)也滿足高推力和低發(fā)動機(jī)質(zhì)量的要求。

o非政府組織的研究

在工程師能夠設(shè)計(jì)出滿足所有這些標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動機(jī)之前，他們需要從模型和仿真開始。這些模型幫助研究人員，比如我所在小組的研究人員，了解發(fā)動機(jī)如何啟動和關(guān)閉。這些操作需要快速、大規(guī)模的溫度和壓力變化。

核動力熱推進(jìn)發(fā)動機(jī)將不同于所有現(xiàn)有的裂變動力系統(tǒng)，因此工程師們將需要開發(fā)與這種新發(fā)動機(jī)一起工作的軟件工具。

我的小組使用模型設(shè)計(jì)和分析核動力推進(jìn)反應(yīng)堆。我們對這些復(fù)雜的反應(yīng)堆系統(tǒng)進(jìn)行建模，以了解溫度變化等因素如何影響反應(yīng)堆和火箭的安全。但是模擬這些效果需要大量昂貴的計(jì)算能力。

我們一直在努力開發(fā)新的計(jì)算工具來模擬這些反應(yīng)堆在啟動和運(yùn)行時(shí)的行為，而不需要使用太多的計(jì)算能力。

我和我的同事們希望這項(xiàng)研究有一天能幫助開發(fā)出能夠自主控制火箭的模型。

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