美国宇航局将造核动力星际飞船，旅行者号或成过去式

本周，NASA（美国国家航空航天局）局长贾里德·艾萨克曼宣布，该机构将在计划2028年发射火星之前，开发“首艘核动力星际飞船”。

这项名为太空反应堆-1号（SR1）自由号的任务的野心远不止于抵达火星这个目标。如果成功，这将是核推进领域60多年来的实验和失败项目的巅峰之作，并可能彻底改变星际空间旅行。

这艘飞船将配备一种核电推进系统，NASA称其“提供了在深空高效运送物资的非凡能力”。但这种形式的航天器发动机是什么？它与早期以不同方式利用核能的任务有何不同？

说到核动力飞船，大家会想到诸如猎户座计划之类的概念，该计划于20世纪50年代提出，设想飞船靠身后一连串快速核爆炸的冲击波来推进。另一个核动力设计是代达罗斯计划，这是英国星际学会20世纪70年代的一项设计研究，提出使用核聚变动力发动机。

NASA的SR-1自由号概念将使用一个核裂变反应堆，就像给地球城市供电的核电站的缩小版一样，以产生电力来运行离子发动机。

然而，数十年来，NASA的任务一直在太空中使用另一种形式的核能，即放射性同位素热电发生器，简称RTG。那么，RTG和即将驱动SR-1自由号的核电推进系统有什么区别呢？

由核衰变提供动力

放射性同位素热电发生器利用钚-238的放射性衰变释放的热量产生电力，钚-238的半衰期接近88年（平均来说，这88年里一半的钚-238会衰变掉），这样一来，它就能在必要时为航天器供电数十年。

美国国家航空航天局（NASA）在太空中使用核能几乎和太空时代一样久。20世纪60年代，该机构资助了核辅助电源系统（SNAP）项目。顾名思义，SNAP就是在太空任务中用核能。 据NASA说，1961年首次上天的是SNAP-3，上面装了个RTG（放射性同位素热电发生器）。

SNAP-3上的RTG携带了96克钚-238，才产生2.5瓦电力。不过，自20世纪60年代初以来，情况已经大不一样了。从那以后，RTG被用在很多行星际任务上，比如先驱者10号和11号、旅行者1号和2号飞船去外太阳系、新视野号飞往冥王星及更远的地方，还有维京1号和2号火星着陆器，以及好奇号和毅力号火星车。

需要RTG这点，从好奇号和毅力号的前身——勇气号和机遇号火星车就能看出来。它们完全靠太阳能，但火星灰尘盖住电池板后，电力就越来越不行了。

另一项也是从60年代开始的技术是电推进，你可能更熟悉它的另一个名字：离子发动机。它先把气态推进剂（比如氙气或氪气）的原子电离，然后通过喷嘴把这些离子加速喷出，从而产生推力。加速有两种方式。一种是施加电磁场产生所谓的霍尔效应来加速离子。

另一种是栅格离子推进器。带正电的离子被注入一个“放电室”，在那里它们会朝带负电的栅格移动，然后因为电压差，从栅格上的小孔加速穿过去，最后再从喷嘴喷出来，离子发动机会发出一团柔和的蓝光。

在内太阳系的太空任务中，离子可通过太阳能电池阵列产生的电力电离，因此我们将此类技术称为太阳能电推进（SEP）。不过你可能会惊讶，SEP通常产生不到一磅的推力。

跟太空发射系统火箭把阿尔忒弥斯2号任务推向月球时那880万磅的推力一比，简直没法比。不过SEP（太阳能电推进）推力虽小，但可以积少成多，随着时间的推移，能让航天器加速到每小时约20万英里（32万公里）或更高，而同等化学火箭这时候早把燃料烧完了。

从20世纪60年代起，SEP就一直用于地球轨道上的任务了。第一次把SEP用到星际任务上是在1998年，NASA的深空1号。后来，欧洲航天局的月球任务SMART-1、NASA的黎明号探测器（去小行星带探访了谷神星和灶神星），还有2022年撞了双小行星狄迪莫斯和迪莫弗斯的DART任务，都用上了SEP，效果非常好。

在深空探索中，用核能取代太阳能有两大优势。一来，在远离太阳的外太阳系，太空任务能更容易地部署离子发动机。二来，它产生的功率比SEP高出10到100倍，所以推力更大了，能带的载荷也更重了。

放射性同位素热电发生器（RTG）根本不够用，这也是核电推进（NEP）得用裂变反应堆的原因。反应堆产生的热量转化为电能，从而电离（也就是充电）推进剂气体，供离子发动机使用。

SR-1‘自由’号的20千瓦裂变反应堆，里面装有低浓缩铀和二氧化铀，会装在一根长吊杆的末端，这样就让它产生的辐射和航天器其他部分保持距离。

用SEP的话，航天器很大一块面积都用来装太阳能电池板了。而在NEP中，这些太阳能电池板换成散热翅片，用来散掉反应堆多余的热量，免得航天器上的零件被烤化。

值得注意的是，核发动机还有第三种类型——核热推进，其中裂变反应堆产生的能量加热推进剂，使其膨胀并通过喷嘴喷出，产生推力，跟传统火箭差不多。

核危害

当然，在将核材料送入太空时，安全至关重要，而大家一听到“核”字就害怕。

1997年，美国国家航空航天局与欧洲空间局合作的卡西尼-惠更斯号探测器发射任务饱受争议。该任务携带了三台RTG，两个探测器上共装了73磅（33公斤）的钚-238。

该任务的环境影响研究表明，发射时出事故的概率是1/1400，在穿过地球大气层时出事故的概率是1/476。这意味着一旦出事，放射性物质不但可能扩散到发射地佛罗里达，还可能根据出事高度扩散到全球。这引发了一些方面的严重担忧，著名物理学家加来道雄等抗议活动的领头人要求叫停发射，但卡西尼-惠更斯号还是顺利发射了，之后的所有RTG任务也都一样顺利。

当然，我们也会小心做到，万一出事，放射性物质能受到最好保护。为了把风险降到最低，他们把放射性物质封装在很耐用的石墨块里，外面再包一层铱，最后加个气壳保护，这样即使RTG再入大气层也能扛住。

虽然这不能百分百保证安全，但可想而知，任何要发射到太空的裂变反应堆都得有类似的安全措施。事实上，对于把核材料送上天，美国和国际上都有非常严格的规定。

还有个事儿，核裂变这玩意儿毒性很强。它把原子给分裂了，产生能量，同时也产生放射性废料。我们在太空用裂变反应堆，实际上就是在太阳系到处扔一小包一小包的有毒废料。要是哪天这些有毒包裹不小心掉到别的星球或卫星上，比如火星或者木卫二，那以后碰上的宇航员或者那些星球上可能存在的生物环境可就危险了。

核电推进的历史

NASA不是头一回玩核电推进了。1965年，他们发射了SNAP-10A任务，那是到目前为止唯一一次成功用上核电推进的案例，也是头一回把核反应堆送上天。根据美国能源部的说法，那个反应堆稳稳当当地运行了43天，然后出了故障，就关机了。

然而，自打SNAP-10A之后的61年里，再也没有任务成功展示过核电推进，不过尝试倒是不少。NASA最近的项目叫DRACO，全称是“敏捷地月轨道演示火箭”，是和DARPA、洛克希德·马丁以及BWX技术公司一起搞的。

可惜啊，DRACO项目在2025年1月因为技术和监管上的挑战被暂停了，后来到了夏天就被彻底砍掉了——因为没出现在2026年联邦预算提案里。DARPA说，鉴于现在常规发射成本越来越低，这个项目的成本已经不值那个收益了。

不过现在NASA好像又改主意了，重新对核电推进来了兴趣。确实，要是我们想更频繁地搞星际任务，把宇航员和大批物资送到火星或者其他地方，那用核能肯定少不了。

但时间上肯定来不及让NASA按计划在2028年发射了。而且，在尝试了六十多年之后，NASA到底能不能最终把这项技术搞成，还不好说。要是真搞成了，那核电给电推进发动机带来的更高效率和功率，就能彻底改变太空旅行——不管是送宇航员去火星，还是支持去太阳系外围的科学任务。