飛向火星!重新設計的核動力火箭要來
2020-12-29 12:57:37  出處:新浪科技  作者:勻琳 編輯:陳馳     評論(0)點擊可以複製本篇文章的標題和鏈接

日前,據國外媒體報道,核反應堆在雖然在地球上惹出很多麻煩和爭議,但它們卻可以產生足夠的能量和推力,快速地將大型宇宙飛船送上火星,甚至更遠的星球。

事實上,核動力火箭發動機的想法可以追溯到上世紀四十年代。

至關重要的是,核動力發動機僅用於星際飛行。火箭還在地球大氣層之內時,不會使用啓用核動力發動機。火箭發射階段,仍使用化學燃料。只有在火箭離開低地球軌道之後,核動力推進系統才會啓動。

最近,核裂變和核聚變驅動的星際飛行計劃有了新的設計,這些新設計的成功可能性也更大。

核動力發動機的設計難點在於如何確保該發動機既輕便又安全。隨着NASA正與行業合作伙伴就未來可能的核動力載人太空飛行任務展開合作,新的燃料和反應堆設計已成為一項重要任務。

NASA空間技術任務理事會的首席工程師傑夫·希伊説:“如果我們希望將往返火星的路程時間減少到兩年以下,核動力推進系統十分具有優勢。”他還説,若要使這樣的任務成為可能,“燃料這項關鍵技術必須要改進”。

具體地説,就是燃料必須能承受核熱力發動機內部的超高温環境和不穩定條件。有兩家公司已經表示,他們的燃料足夠穩定,可以用於安全、緊湊和高性能的反應堆。事實上,其中一家公司已經向NASA提供了詳細的概念設計方案。

核熱力推進系統使用核反應釋放的能量將液態氫加熱至2430℃,這個温度大約是核電站核心温度的八倍之多。推進劑隨後以極高的速度膨脹並噴射而出。

與傳統的化學燃料火箭相比,對於每單位質量的推進劑,核熱力火箭可以產生兩倍的推力,從而使得核動力飛船可以飛行得更遠更快。

此外,一旦達到目的地——無論是土星的土衞六還是冥王星,核反應堆可以從推進器變為動力源,允許飛船持續多年向地球送回高質量數據。

以往,從核動力火箭獲得足夠的推力需要使用武器級別的高濃度鈾。但是,商業發電站中的低濃度鈾燃料,使用起來則更加安全。

唯一的問題是,在極高温度環境下以及在極易反應的氫帶來的化學侵蝕條件下,低濃度鈾燃料會變得十分脆弱並容易分解。

但是,西雅圖的Ultra Safe Nuclear Corp. Technologies(USNC-Tech)公司使用的鈾燃料濃縮至20%以下。雖然比核反應堆中使用的鈾等級更高,但該鈾燃料“無法被用於邪惡目的,因此極大地降低了核擴散風險,”USNC-Tech的工程總監邁克爾·伊德斯説。該公司的鈾燃料包含微小的鈾燃料顆粒,這些鈾燃料顆粒帶陶瓷塗層,分散在碳化鋯基體中。微囊結構可以在困住放射性裂變副產物的同時,釋放出熱量。

弗吉尼亞州林奇堡的BWX Technologies也在與NASA合作,研究如何使用類似的陶瓷複合燃料,同時也在探索一種包裹在金屬基體中的替代燃料形式。該公司的高級技術部門總經理喬·米勒説:“自2017年以來,我們一直在研究核反應堆設計。”

兩家公司的設計均依賴於不同類型的緩和劑。緩和劑可以放緩裂變過程中產生高能量中子的速度,從而維持連鎖反應,而不是任由中子撞擊和破壞反應堆結構。

BWX將燃料塊散佈在氫化物元素之間,而USNC-Tech的獨特設計則將鈹金屬緩和劑集成到燃料內。伊德斯説:“我們的燃料十分穩定,可以耐受高温氫和輻射條件,並且不會吞噬反應堆內的所有中子。”

飛向火星!重新設計的核動力火箭要來
普林斯頓等離子物理實驗室

普林斯頓等離子物理實驗室的科學家正在使用實驗性反應堆嘗試將聚變等離子體加熱到一百萬攝氏度。

該實驗室的研究人員塞繆爾·科恩説,設計小型且安全的核動力火箭,還有另一種思路:核聚變反應堆。主線聚變使用氫的同位素——氘和氚燃料。但科恩正在嘗試製造一種新的反應堆。該反應堆依賴高温等離子體中氘原子和氦-3的聚變反應,這一反應產生的中子數非常少。他説:“我們不喜歡中子,因為它們會把鋼鐵等結構材料變得像瑞士奶酪一樣,並且使其具有放射性。”普林斯頓實驗室的概念設計叫做“直接聚變驅動”(Direct Fusion Drive)。該設計相比傳統的聚變,需要的燃料也更少,設備大小也只有傳統設備的千分之一左右。

NASA的希伊説,理論上,聚變推進器在性能上遠勝於裂變推進器,因為聚變反應釋放的能量是後者的四倍多。但是,聚變推進器這項技術還遠未成熟,同時也面臨不少挑戰,包括如何產生和控制等離子體,以及如何有效地將釋放的能量轉變為定向噴射排氣。希伊説:“至少在本世紀三十年代末期,這項技術還來不及用於火星任務。”

相比之下,USNC-Tech已經基於其設計的新型燃料,製造了小型硬件原型。伊德斯説:“我們有望實現的NASA的目標,在2027年之前交付一半大小的演示系統,進行發射試驗。”該公司的下一個目標將是打造完整規模的火星飛行系統,並且有望在2035年的火星任務中投入使用。

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#火星#火箭

原文鏈接:新浪科技 責任編輯:陳馳

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