核动力火箭是否可行？美苏冷战就已开启试验，中国也取得进展

在科幻小说《三体II：黑暗森林》里有一段特别经典的情节，那就是海军大校章北海用陨石制作的特殊子弹，在太空中成功刺杀了多名“老航天”，他这一举动造成的结果，就是让小说里正在遭受三体文明入侵威胁的人类，将恒星际飞船的发动机制造，推向了无工质推进方向，确保了人类文明在“黑暗战役”彻底战败的极端恶劣情况下，依旧利用“蓝色空间”号与“青铜时代”号两艘恒星际战舰保存了文明火种，开启了宇宙“长征”。

《我的三体：章北海传》中章北海形象

小说情节相当震撼，但整个系列除了第一部拿到了雨果奖，后面更加精彩的二、三部则没有，大概西方文艺界真正感兴趣的并不是大刘惊艳的科幻点子与宏大的世界观描述，而是第一部开头的那个年代吧？就好像某飞的编剧也明白“为了一碟醋，包了一顿饺子”的道理，而且这饺子还是奥利给馅儿的，哼。

一个很显而易见的事实是，我们现在用的化学动力火箭，运载能力远不能够帮助人类实现大规模的太空建设和移民。如果是载人，目前为止，化学火箭最多只把人和相应物资送上过月球，如果不是载人，而是发射探测器，那这条件倒是相对宽松些。

美国在1977年发射的旅行者-1号和旅行者-2号探测器，都是用大力神3E运载火箭发射升空的，这是一款化学能运载火箭，这两颗探测器在完成对太阳系内所有行星的探测任务之后，也分别在2012年和2018年，飞出了太阳风边界，也就是日球顶层，完全离开了太阳系，进入了星际空间。但是这两款探测器的科学探测功能大多已经关闭，旅行者-1号预计会在2025年之后，失去供应任何一台科研仪器的能源。

旅行者-2号与1号的设计基本相同，所以它也会面临相同的命运，预计在2025年或者之后，再也没有能源运行任何单一仪器。应该说，这就是人类当前有记录的，用化学能火箭发射的探测器探测范围的极限了。如果以后人类要进行距离更远、规模更大的载人航天探索活动，即便是星舰技术成熟落地，价格也被打成“批发价”，恐怕还是很难。

而这也是为什么我在开头要提章北海刺杀老航天这一情节的原因，我没别的意思啊，我是想说关于人类宇航动力方式的研究与讨论，我们普通人是没机会参与，但全世界的航天科学家们一直在做这方面的研究，比如空间核推进系统，还有载人核热火箭。

这几天我多次提到俄罗斯想和中国共建月球核电站的事情，思来想去还是决定再说下这事，因为这背后可能还跟俄罗斯计划研制的一款新型航天器有关。在2021年的时候，俄罗斯就在当年的国际宇航大会上展示了一款名为“宙斯”的核动力太空拖船模型，按照俄方制定的计划，会在2030年左右发射，执行前往月球和太阳系内各大行星的飞行任务。

从时间点上看，与我们的载人登月时间表对上了，而在2022年的时候，俄罗斯国家航天集团也展示了“宙斯”的工作原理，具体说就是核裂变反应堆释放热量加热气体，利用加热气体带动与发电机连接的涡轮，产生电能，为船上设备与电推进发动机提供能量。

我知道，很多人，其实也包括我，对俄罗斯现阶段的工业能力以及航天能力，能否实现这个项目有比较大的怀疑，想让我们拉他们入伙，政治上没有问题，但在经济和技术这两个同样重要的方面，俄罗斯是不是也应该展示下自己的能力和诚意呢？不过有一说一，“宙斯”的设计思路，我觉得也可以作为参考，因为这其实就是空间核推进系统。

顾名思义，这就是一种在宇宙空间，利用核能推动航天器航行的推进方式，目前已知的有两种核推进方式，一种是核电推进（NEP），一种是核热推进（NTP）。这两种技术方案，人类世界，主要是美俄（苏联）都进行过研究与尝试，我们一个个来说。

先说说核电推进（NEP），这种技术的本质，就是用核能源的电推进技术。这么一说估计有人会想到一些事情，在去年6月20日的时候，我们的“天宫”空间站就进行了国产电推进系统在载人航天领域的首秀，首次完成了该系统大气瓶的在轨安装任务。当时媒体也对这个消息进行了详细的报道，附上空间站电推进发动机的工作原理：就是将氙气等惰性气体转化为带电离子，再将这些带电离子加速、喷出，形成推力，推动空间站运行。今年3月官方也公开了这套系统的运行和试验画面，并且明确说了这就是“霍尔推进器”。

这种推进器的原理我在去年8月18号上线的那期节目讲过了，就不再多说。而核电推进技术往简单了说就是在航天器内安装一个核反应堆，推进系统就是以这个为能源来产生电磁场，进而加速带电离子，然后高速喷出产生等离子体射流，形成推力。现在在我们的“天宫”空间站上装备的霍尔推进器，总共有4台，单台推力仅为80毫牛，而且无法快速产生大推力，因此还处于试验阶段，并且在可预见的未来，也难作为大气层内发射阶段的推进方式。但是这种推进器的比冲以及能量转化效率，都比化学推进器要高，一旦技术成熟，则可应用于远距离的太空航行。

关于核电推进技术的研究，我们中国算是后来者，第一批吃这个螃蟹的人是美国和前苏联的航天工作者们，时间最早可追溯至上世纪60年代，苏联最开始的研究方向是放射性同位素电池，并在上世纪60年代到80年代期间，取得了一些成果，成功发射了一批带有核电池的卫星入轨；然后是美国，他们是从1961年开始研究的，切入点是放射性同位素发电机。

顺带一提，前面提到的旅行者1号和2号，它们上面就搭载了放射性同位素热能发电机，这就是人类唯二的星际航天器上搭载的能量源，使用的是钚-238，“好奇”号火星车上使用的核电池系统，也是用的钚-238及其二氧化物。这种放射性物质的半衰期为87.7年，外加热电偶的退化，这就是为什么科学家预测这两台探测器最多只能运行到2025年，然后就会与人类文明彻底失联。

至于俄罗斯的“宙斯”，目前也没有更多资料，多的也不好说，毕竟苏联能干的事，不代表俄罗斯也能干，经济、技术和人才都是问题，唯一不用担心的就是技术图纸，这是肯定能找到的。所以我说个个人想法啊，大毛啊，你们家那技术图纸能不能给俺们瞅瞅啊？

好了，咱们再来说说核热推进（NTP）技术。这套技术的原理也很好描述，就是利用核反应来加热工质推进剂，将其高速喷出产生推力。目前这套技术研究中的核反应种类就是核裂变，相当于是将核裂变产生的能量转化为了航天器和火箭前进的动能，而且核热推进，与核电推进，其实都还属于是工质推进范畴，两者都需要工质作为媒介来实现热能与机械能之间的转化过程。

前面的霍尔推进器，我们提到了需要换装氙气瓶，而核热推进技术中的工质，可以选择液氢。这种化学物质在当前的化学燃料火箭中也有应用，比如我国的长征5E与美国的重型德尔塔4运载火箭，就都使用了液氢液氧发动机。

核热推进技术的发展脉络也可以追溯至冷战早中期的50到60年代，美国和苏联几乎是同时点开了这条科技树，并且两国都造出了采用这一技术的核火箭发动机样机，也进行过热试车。不得不说冷战虽然是一个全人类都坐在核弹头上的危险时代，但这种激烈竞争局面下造就的航天工业成就，还是相当令人惊叹的。

但是因为这项技术研究投资大，并且背景需求不明确，美国的大规模研究最终还是止步于1972年，美国的最后一台核火箭发动机在试验中产生了33.4吨的推力，比冲达到了825s，通俗点理解就是一公斤燃料可以在825秒的时间里持续产生一公斤推力。如果后续试验项目跟上，进一步改进的话，比冲还能再提高至900s。前苏联更不用说了，1991年红旗落地，俄罗斯往后是干啥都不行了，根本无力继续支持核火箭发动机的大规模研究。

但是美俄两国后来也并未完全放弃这项技术，一直在进行着相关的研究工作，美国的NASA在2002年时就以载人登陆火星为背景，进行了一轮方案论证，对化学推进、核电推进以及核热推进这三种推进方式进行了研究，最终结果是化学推进方式效果最差，会导致飞船质量大大增加；核电推进对比功率要求太高；只有核热推进是最适合的。

我们可以设想下，如果未来的航天科研、工程人员解决了将核反应堆塞进火箭发动机的问题，成功造出了可以执行国家太空战略，并能够进行商业运营的核运载火箭，那么明显的好处就是两个：一来，单次航天发射的运载能力增加了，可以进行更大载荷的航天发射任务；二来，航天器动力系统升级，不仅是增大了航天器载荷，也提升了航天器航行距离。这两条，我认为是未来建立地外天体与地球之间的资源开采、运输、移民航线的基础技术。

另外，还有一个隐藏好处，就是运载能力增加可以压缩单位重量载荷的发射成本，“降本增效”的思维可以往这上面套一套。当然我们也要清楚，这些技术目前还处于试验阶段，短期内是不会看到任何成果的，在技术落地之前，化学推进方式仍会是人类航天事业唯一的选择。