核动力火箭：火星之旅时间减半，反应堆设计挑战重重

核火箭只需一半的时间到达火星了，要设计出为它们提供动力的反应堆并不容易,裂变技术在发电和核动力潜艇方面的优势看，将其应用于火箭的驱动或动力可能有一天会给美国国家航空航天局提供一种比化学驱动火箭更快、更强大的替代方案。通过网站上的链接购买时，会支付一定费用。以下是它的工作原理。

模型设计出的核热火箭概念图：该飞行器可以帮助人类到达火星和太阳系的其他行星。文章最初发表在《对话》上，后为太空网的专家之声：观点与见解栏目供稿。丹·科特利亚尔（Dan Kotlyar）是佐治亚理工学院核与放射工程副教授。美国国家航空航天局计划在未来十年内向火星发射载人飞船，长达1.4亿英里（2.25亿公里）的火星之旅需要几个月甚至几年的往返时间。

运输时间长是使用传统化学火箭燃料的缘故。该机构开发的化学推进火箭的核热推进技术，创新性利用核裂变，有朝一日为火箭提供动力，只用一半的时间就能完成行程。核裂变从收集原子被中子分裂时释放的难以置信的大量能量。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很成熟，将其应用于火箭的驱动或动力，将为美国国家航空航天局提供一种比化学驱动火箭更快、更强大的替代方案。

美国国家航空航天局和国防高级研究计划局正在联合开发技术。他们计划在2027年在太空中部署并展示原型系统的能力，这能使其成为美国建造和运营的首批此类系统之一。

有一天，核热推进也可以为机动空间平台提供动力，以保护地球轨道内外的美国卫星。但这项技术仍在发展中。我是佐治亚理工学院核工程副教授，我的研究小组建立模型和模拟来改进和优化核动力推进系统的设计。我热衷于协助设计核动力推进引擎，将载人任务带到火星。

科学家和工程师正在研究核热推进系统，该系统将氢推进剂泵入核反应堆以产生能量，并将推进剂从喷嘴排出以提升火箭。（图片来源：美国国家航空航天局格伦研究中心）

核动力与化学推进

传统的化学推进系统通过一种化学反应，包括一种轻推进剂，如氢和一种氧化剂。当两者混合在一起时，就会点燃，导致推进剂很快从喷嘴中喷出，推动火箭前进。

这些系统不需要任何形式的点火系统，它们是稳定的。但这些火箭进入

太空时必须携带氧气，同时会使火箭重量下降。与化学推进系统不同，核热推进系统依靠核裂变反应来加热推进剂，然后从喷嘴中喷出以产生推动力或推力。

在许多裂变反应研究中，向铀的较轻同位素铀-235发射一个中子。铀吸收中子，产生铀-236。然后铀-236分裂成两个碎片——裂变产物——反应释放出少数不同的粒子。目前世界上运行的400多个核反应堆使用的是核裂变技术。这些运行中的核反应堆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。

核热推进系统的运行原理与此类似，它使用不同种类核燃料且铀-235含量更高。在更高温度下工作，它们非常高效和紧凑。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。

由于几个原因，核动力推进可能比化学推进更有优势。核动力推进将从发动机喷嘴中迅速排出推进剂，产生高推力。这种高推力使火箭能够更快地加速。

这些系统也有很高的脉冲。脉冲测量推进剂产生推力的效率，核动力推进系统的脉冲大约是化学火箭的两倍，它们的飞行时间将缩短2倍。

核热推进历程

几十年来，美国政府一直在支持核热推进技术的发展。1955年至1973年间，美国国家航空航天局、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台核热推进发动机。

1973年以前的设计依赖于高浓缩铀燃料。由于存在扩散危险，或与核材料和核技术扩散有关的危险，这种燃料已不再使用。由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堆转化为高含量、低浓缩铀燃料。

与高浓缩铀燃料相比，高含量、低浓度的铀燃料具有较少能够发生裂变反应的物质。因此，火箭需要装载更多的低硫燃料，这使得发动机更重。为了解决这个问题，研究人员正在寻找一种特殊材料，以在这些反应堆中更有效地利用燃料。

美国国家航空航天局和美国国防部高级研究计划局的地月操作演示火箭“敏捷号”（简称DRACO）计划打算在其核热推进发动机中使用这种高含量、低浓缩铀燃料。该项目计划在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·马丁公司与BWX技术公司合作开发反应堆和燃料设计。

各集团正在开发的核热推进发动机将需要符合特定的性能和安全标准。他们需要有一个核心，以便在任务期间运行，执行快速前往火星的必要操作。发动机产生高脉冲，同时满足高推力和低发动机质量的要求。

正在进行的研究

在工程师能够设计出满足所有这些标准的发动机之前，他们需要从模型和仿真开始。这些模型帮助研究人员，比如我所在小组的研究人员，了解发动机如何启动和关闭。这些操作需要快速、大规模的温度和压力变化。

核动力热推进发动机将不同于现有的裂变动力系统，因此工程师们将需要开发与这种新发动机一起工作的软件工具。我的小组使用模型设计和分析核动力推进反应堆。我们对这些复杂的反应堆系统进行建模，以了解温度变化等因素如何影响反应堆和火箭的安全。但是整个模拟过程需要大量昂贵的计算能力。

我们一直在努力开发新的计算工具来模拟反应堆在启动和运行时的现象，而不需要使用太多的计算能力。我和我的同事们希望这项研究有一天能帮助开发出能够自主控制火箭的模型。

BY:Dan Kotlyar

FY: Jane

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