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续写核动力火箭项目新篇章
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摘要：核火箭的问题在于核燃料的放射性及给航天员、科学仪器带来的危害。正因为这些问题尚未解决，核火箭至今没有成为现实。但是随着材料和工艺的进步，特别是几十年来核反应堆在潜水艇上的应用，使人们能够建造越来越小、越来越安全的反应堆。2000年，美国宇航局设立了普罗米修斯项目，开发用于长期太空任务的核动力系统。
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核火箭的问题在于核燃料的放射性及给航天员、科学仪器带来的危害。正因为这些问题尚未解决，核火箭至今没有成为现实。但是随着材料和工艺的进步，特别是几十年来核反应堆在潜水艇上的应用，使人们能够建造越来越小、越来越安全的反应堆。2000年，美国宇航局设立了普罗米修斯项目，开发用于长期太空任务的核动力系统。这个项目是自1972年“漫游者计划”/NERVA项目被取消以来，美国宇航局最认真考虑的核动力火箭太空任务。这个项目用一个裂变反应堆驱动布雷顿循环热机，还要发电为科学仪器和离子推进装置提供动力。但是在2005年，由于预算限制，美国宇航局又取消了普罗米修斯项目。
“核动力火箭推进”项目
美国一直在默默搞自己的核火箭计划。美国宇航局很早就认识到，如果要把探索目标定在更深远的太阳系，核推进可能是唯一可行的技术选择。即使探测范围仅仅超越火星轨道，太阳能电池板所能提供的电力就已经不够了，而采用化学推进将需要大量的推进剂或超长的行程时间，新视野号冥王星探测器就是个明显的例子。
因此对美国宇航局来说，核动力火箭推进（NTP）和这个机构存在的终极意义是有直接关系的，美国宇航局的愿景、任务，都是为这样一个长期目标服务：将人类存在扩展到太阳系和火星。而核动力火箭是当前所有先进火箭推进系统中最理想的，它在宇宙中的飞行速度最快，旅行时间最短。这不但能减少航天员暴露在零重力和宇宙辐射中的时间、保护航天员的健康，还简化了生命保障系统的设计、降低了负荷，系统复杂度的降低也提高了总体上的可靠性。核动力火箭推进还有一个巨大的优势就是它的持续工作能力强，如果任务临时中止，还有足够的能力返回地球。哪怕已经离开地球、在太空航行了3个月，核动力火箭还是能在没有燃料补充的情况下返回地球。用核动力火箭登陆火星之后，无需补充燃料，就能在任务结束后直接起飞返回地球
目前，美国宇航局米歇尔航天飞行中心的科研人员正在开展一项叫做“核热推进”的研究项目，这个项目是在2017年启动的。美国宇航局把它归类于“颠覆性研发计划”之下。按照美国宇航局的惯例，具体工作要外包给私营企业来承担。被选中的企业叫做BWX技术公司。这家企业是传统的核部件与核燃料供应商，与美国政府有长期的合作关系。具体承担美国宇航局合同的是下属的BWXT核能有限公司，美国宇航局和这家企业签署了为期3年、价值1880万美元的合同，开发一种能用于载人火箭、前往火星的核热推进用反应堆。核热推进火箭打算用铀或者氘作为燃料发生核反应。加热液氢，然后产生高压氢气，从喷管中喷射出去产生推力。如果这一阶段取得成功，就向核电推进发展，也就是用核反应堆产生电力，驱动电火箭发动机。
BWXT技术公司在官网上给出了一些信息。他们把核燃料的浓缩度定在了19.75%，任务关键是设计反应堆的核芯、热流体构造和机械设计，同时为美国宇航局的核动力火箭设计提供验证和支持。
具体来说，该公司设计了一种双模式反应堆。它的结构非常容易理解，圆柱形反应堆的正中是一个加热室，就像化学火箭发动机的燃烧室一样。液氢通过两根管道注入，通过回转的管道在其中充分加热，达到高温高压，然后从喷管中喷射出去。最近几年，美国宇航局的预算中都列入了核动力火箭的开支。其中在2019财年开列了1亿美元，2020财年增加到1.25亿美元。美国众议院商业、司法和科学委员会在讨论这项开支的时候，曾经希望美国宇航局能在2024年安排一次核热推进的飞行验证。不过兹事体大，在2019年的讨论中，国会对2024这个目标没有写成白纸黑字，只是希望美国宇航局能制定一个核动力火箭推进演示验证的多年期计划，给出有关的时间表，并且希望美国宇航局提出一份计划，一旦核动力火箭技术成熟之后，可以启动那些未来任务。
当下的美国宇航局核动力火箭发展目标和几十年前一样，以低浓缩铀（LEU）为基础，实现核动力火箭发动机的技术可行性和经济可承受性。具体目标包括：1.为载人火星任务提出一种低浓缩铀核动力火箭概念。2.在紧凑型燃料棒环境试验设备（CFEET）和核动力火箭环境模拟器（NTREES）中，实现燃料棒的设计、建造和试验。3.为LEU燃料棒/反应堆堆芯建立可靠的生产制造方法。4.验证排气捕捉作为核火箭发动机试验方法的可行性。
在美国，核动力的有关研究依然是能源部下属研究单位负责的。美国宇航局自己并不拥有核反应堆，所以在马歇尔航天飞行中心建立了一个模拟设施，也就是刚才说的NTREES，可以对核燃料棒之外的各种材料和器件进行试验。NTREES可以实现6.9兆帕的压力和近2760摄氏度的高温，能有效模拟天基核动力火箭的工作条件，为研究团队提供关键的基线数据。
在先前成功研究和使用NTREES设施的基础上，美国宇航局可以安全、彻底地测试各种尺寸的模拟核燃料元件，为未来核动力火箭的设计提供重要的试验数据支持。不过美国宇航局并不打算用核热发动机直接把火箭送入太空，而是用它作为低温上面级。火箭还是用传统的化学燃料推进剂起飞，核热发动机中的氢处于液态。当火箭进入太空、抵达比较安全的轨道之后，温度也就比较低了。然后才启动反应堆，把液态氢一点点加热，作为工质喷射出去。即使反应堆有一定的辐射，也不会危及地球上的生命财产安全。
FD1和FD2
虽然国会没有提出硬性要求，但是美国宇航局自己对实际飞行还是很重视的，毕竟这才是研发的终极目标。美国宇航局科学家设想了两个阶段的飞行演示验证（FD），分别称为FD1和FD2。用同样的核反应堆和推进系统来实施，但演示验证的目的不同。FD1称为“性能燃烧”，即反应堆以最大功率运行，以获得可能的最大推力和比冲。燃烧持续时间的最小阈值由反应堆达到热平衡所需的时间设定。FD2称为“演示燃烧”，需要验证反应堆和发动机的反复重新启动能力。如果有可能，还要在FD2中演示反应堆不同功率级别的操作。美国宇航局没有为FD2的单次推进持续时间提出具体要求。但是所携带的推进剂越多，就可以收集更多关于发动机/反应堆动力学特征的数据，也就是说工作时间越长越好。
一般的实验性航天器在工作任务结束后就不需要过问了，但核动力火箭有它的特殊性，如果操作不慎掉回大气层里，就会带来环境污染。因此无论FD1和FD2，都要设计远离地球的墓地轨道，不能让它掉回来。按照技术发展的规律，FD1期间，因为技术不算很成熟、风险比较大，因进入奔火轨道，空储箱分离火星飞船自旋产生人造重力此必须放在比较远的位置，因此美国宇航局为它设计了一个日心墓地轨道。FD2因为要反复启动，所以必须处在地球测控网的监视之下，所以将运行在中圆地球轨道上。
FD1任务的远日点少于一个天文单位，也就是说，它在任何时候都处在比地球更接近太阳的位置上。不但如此，它还要和金星交会，用金星的引力进一步靠近太阳。FD1任务期间所计划演示的核动力火箭发动机推力不会太大，因此还是需要用化学火箭把它送入地球逃逸轨道，具体的任务流程是这样的：1.通过运载火箭进入地球逃逸轨道。2.核热推进系统和电子设备自检。3.核热发动机启动。4.实施10分钟的性能燃烧，反应堆功率达到1兆瓦，推力达到454牛顿（100%推力）。5.核热火箭发动机停机、冷却。6.把反应堆和其他分系统的遥测数据送回地球。7.核热推进系统和电子系统第二次自检。8.核热发动机启动程序。9.实施超过10分钟的燃烧，反应堆功率小于1兆瓦，推力小于454牛顿。10.核热火箭发动机停机、冷却。11.把反应堆和其他分系统的遥测数据送回地球。12.自由滑翔。13.轨道修正机动。14.飞越金星。15.进入最终日心墓地轨道，远地点小于1个天文单位，与金星轨道不同步。
这个任务的持续时间约为124天，作为任务最关键部分的核动力火箭推进安排在发射后的头几天内进行。这就简化了对氢气长期存储的要求，也降低了对核热发动机燃烧期间关键电子设备和反应堆设备的功率、量程和数据上行链路要求。
与FD1不同的是，FD2的主推进系统（MPS）具有更强大的动力，飞行器的质量也更大。当核热发动机启动时，会给航天器带来显著的轨迹变化。因此，居住舱着陆器，入轨质量131吨居住舱着陆器。
▲美国曾计划在未来的火星任务中使用核动力火箭
▲核动力火箭结构示意图
FD2的核动力火箭用来实施改变轨道倾角的机动，这样就允许它在全功率下运行，而且对其他轨道参数的影响也比较小。FD2的任务流程是这样的：
1.用化学运载火箭把FD2飞行器运送到2000千米高的圆轨道上。
2.核热发动机系统和电子设备自检。
3.核热发动机启动。
4.实施性能燃烧，反应堆全功率运行，达到270兆瓦，推力达到55.6千牛（100%功率输出），运行10分钟，反应堆监测数据和遥测数据实时传送到地球。
5.核热火箭发动机停机、冷却。
6.第二次核热发动机系统和电子设备自检。
7.核热发动机启动。
8.演示燃烧，减少轨道倾角，在55.6千牛以下推力工作不超过5分钟，反应堆功率输出不超过270兆瓦，反应堆监测数据和遥测数据实时传送到地球。
9.核热火箭发动机停机、冷却。
FD2任务持续时间不超过一周，两次核热发动机燃烧都安排在任务的前1~3天。FD1反应堆采用“高含量低浓缩铀”（HALEU）燃料，功率输出为1兆瓦。这种配置是根据FD1对反应堆的要求设计的，该反应堆可以满足2024年飞行的时间框架，还可以最大限度地使用成熟技术，并方便燃料棒的制造和测试。尽管FD1反应堆的功率输出比NERVA项目少得多，但尺寸和质量却与之相当，因此技术难度比较小。FD1反应堆的工作温度约为1100K，最高温度接近1200K，比冲大于520秒。FD1的主推进系统（MPS）以气态氢作为主工作介质。与液态氢等低温推进剂相比，选择气态氢可以方便推进剂管理、降低对航天器热控制的要求。同时，这也没有改变核热发动机所需要考虑的分子和化学特性，因为即使采用液态氢为工质，在反应堆和发动机部分，氢还是要变成气态乃至离子态的。FD1任务中设计了8个气态氢罐，采用商业现货。MPS采用简单的排气设计，避免了复杂涡轮机械的需求。此外，MPS系统使用了一个非制冷的短管喷嘴，降低了对推力性能的要求，这就不需要为发动机设计复杂的再生冷却系统，有利于简化设计。MPS的最大推力为454牛顿，这实际上是由反应堆功率所决定的。所携带的氢气可以支持反应堆工作20兆瓦分钟的运行，消耗约190千克的氢气。因为反应堆可以“节流”到不同的功率水平，这实际上意味着如果降低反应堆输出功率，所携带的氢气可以使用更长时间。
如果反应堆停机，那么氢气的消耗量降低到最小程度，因此反应堆温度会有一个升高的过程，直至核燃料衰变到和深空热环境温度一样为止。气态氢罐和发动机之间用多层绝缘（MLI）材料隔离，辅助推进系统和电子系统有各自的带有MLI的独立加热器。此外，在反应堆与航天器的其他部分之间有特制的热隔离设备。电子设备和其他仪器系统将被安置在离反应堆尽可能远的地方，以尽量降低这些部件上的热负荷。设置在反应堆附近的传感器和摄像设备需要用绝缘线路连接。热分析结果表明，通过综合使用散热器和热屏蔽，反应堆运行产生的热负荷得到了充分隔离。在任务期间，电子设备和其他仪器能在其温度范围内良好运行。
FD1上采用超柔性太阳能电池板提供，总发电功率超过6.4千瓦。FD1的电子/通信系统包括反应堆、发动机的传感器系统和数据处理设备，因此比其他航天器的体积更大。反应堆仪表包括多种用来监测反应堆健康的传感器，包括压力和温度传感器。此外，还有辐射监测传感器、抗辐射摄像机、红外热成像传感器以及中子探测器。这些设备安装在朝向反应堆的吊杆上，以及在发动机推进期间出现推力羽流的区域。FD2的结构材料与FD1相似，大量采用铝、钛和不锈钢元件。但是FD2的功率很大，因此考虑使用玻璃纤维复合支柱，以加强反应堆与液氢罐、电子部件的热隔离。
为了实施FD1飞行，美国宇航局已经把研制工作推进到了工程样机研制，有关的时间表也制定了出来。加上DARPA的帮助，或许这一次，核动力火箭真的可以变成现实了吧。
迟惑.为核动力火箭项目"续命"[J].太空探索,2020,(5):48-53.
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2020-07-14
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