空间核动力前景广阔

在全国人大“两会”上，全国人大代表、中国航天科工集团第六研究院院长刘志让表示，该院目前正与联合国核电相关研究设计单位合作，开展空间核电项目示范和关键技术研究。未来将会形成各种各样的项目，如核供热和核能，以扩大太空任务的适应性。高耸的火箭升到空中后，它只能将重量小得多的航天器送入轨道。以猎鹰重型火箭为例，它刚刚成功地完成了第一次飞行，起飞时总重量为1420吨。即使放弃可回收功能以换取更高的运载能力，火箭也只能向低地球轨道输送63.8吨载荷，这仅相当于其起飞重量的4.5%。低地球轨道离地面的高度通常约为几百公里，火箭能够携带的有效载荷将进一步减少，以便飞往更远的太空。例如，当向火星发射有效载荷时，猎鹰重型火箭的运载能力为16.8吨，仅为其起飞重量的1.2%。当前火箭效率低的一个重要原因是燃料的比冲(单位质量推进剂产生的冲量)太低。目前使用的火箭通过将燃料的化学能转化为热能加热加速气体来获得推力。以这种方式工作的火箭被称为“化学火箭”化学火箭中常用的液氧-液氢推进剂的理论最大比冲是510秒。据估计，如果用核燃料来驱动火箭，其理论最大比冲可高达约一百万秒，比液氧-液氢化学火箭高四个数量级。因此，为了将来把大型宇宙飞船送入深空，并真正实现科幻电影中设想的星际旅行，核能是目前已知的唯一选择。热核火箭:最小技术跨度在所有的核火箭实施中，热核火箭是结构和原理与现有化学火箭最相似的一种。因此，它的技术跨度也很小，实施起来也相对容易。热核火箭的发动机结构与化学火箭基本相似，其基本原理是将推进剂加热后向后喷射，这样火箭就能获得前进动力。但与化学火箭不同，热核火箭通过核反应加热推进剂，而不是像化学火箭那样通过化学反应。根据反应堆材料的不同，热核火箭可分为三种类型:固体核、液体核和气体核。固体火箭发动机的结构与传统的化学火箭发动机最相似。在反应堆中，核反应速度的控制方式与核电厂中的核反应类似:在反应堆周围布置一圈控制反应堆中子流动的控制棒。当控制棒收回时，中子流量增加，链式核反应进行得更快，发动机可以输出更高的功率。如果暂时需要减少发动机推力或停止发动机，将控制棒推入反应堆，以减少反应堆中的中子流量。限制固体核火箭能力的一个因素是发动机材料能够承受的最高温度。因为核反应所能产生的温度通常远高于当前可获得的材料所能承受的温度，所以核反应的速率必须被限制在相对较低的水平，并且核反应释放能量的能力不能被充分发挥。为了在有限的温度下获得最高的比冲，有必要选择分子量最低的推进剂。因此，固体火箭发动机通常使用液态氢作为燃料。但是在这个时候，液态氢的任务只是带走核反应产生的热能，而不会自行燃烧。由于热核火箭仍然需要使用推进剂，而且它们的核反应能力不能完全发展，目前它们的比冲只能达到1000秒左右。然而，这已经是液氧-液氢发动机实际能达到的比冲的两倍多。此外，由于固体核心发动机的体积和重量较大，推重比只能达到10左右，低于目前化学火箭的推重比70左右。由于这些限制，热核火箭发动机不能完全取代化学火箭发动机来完成从地面发射宇宙飞船的任务。然而，它的高比冲特性特别适合推动已经进入低地球轨道的航天器转移到深空探测轨道。美国宇航局曾提出用重型化学火箭将BNTR热核火箭的所有部件送入低地球轨道的想法。在低地球轨道组装热核火箭后，它将等待航天飞机一起发射宇航员和他们的生活舱。最终组装完成后，热核火箭将提供动力，将重约137吨的组件从近地轨道运送到火星轨道，并在完成任务后返回。为了进一步提高热核火箭的性能，研究人员已经开始研究液芯火箭和气芯火箭。这两种热核火箭有望进一步提高比冲和推重比，拓宽热核火箭的应用前景。电推进核火箭:将缩短星际旅行时间普罗米修斯是希腊神话中为人类偷火种的神。在美国宇航局名为普罗米修斯的太空计划中，研究人员希望从像他这样的恒星释放的核能中汲取能量，以便人类飞船能够飞得更远。在该计划中，研究人员采用了一种全新的核能发电+离子电力推进技术，试图设计一种能够进行深空探测任务的航天器。这种航天器的速度可以达到目前常规探测航天器的3倍以上。它可以在大约60天内从地球到达火星，也可以完成太阳系以外的任务。在普罗米修斯计划采用的电力推进技术中，电能首先用于将推进剂原子中的电子剥离成带正电的离子。之后，离子被加速到极高的速度，并在电场或电磁场的作用下喷射出来，从而使航天器获得推力。由于离子速度很快，获得相同推力所需的推进剂质量仅为传统化学推进剂的十分之一。美国国家航空航天局1998年发射的深空1号探测器在长达20个月的飞行中只能携带81.5公斤的推进剂，这对于化学推进剂来说简直是不可想象的。离子电推进剂可以产生比化学推进剂更少的瞬时推力，但是它们可以使航天器稳定地加速几个月到几年，最终使航天器达到更快的速度并缩短星际旅行的时间。例如，如果欧洲的罗塞塔航天器改用离子电力推进技术，其飞行时间预计将从实际的9年缩短到2.5年。中国最近发射的“普拉西斯13号”卫星也使用电力推进技术，这使得它能够在轨道上用少量燃料工作更长时间。太阳能足以为像“实践13”这样的航天器提供卫星离子电力推进所需的电能，该航天器在地球附近工作，不需要太多推力。然而，对于需要飞向遥远空间的宇宙飞船来说，地球附近的阳光提供的能量是不够的。普罗米修斯计划使用的宇宙飞船将使用核能发电，并向离子电力推进系统输送比太阳能更充足和稳定的能量。普罗米修斯计划设计了一种更有效的热声-电核能转换方法。氦被核燃料加热后，其膨胀和收缩产生雷鸣般的声波，驱动发电机中的活塞运转并产生电流。在2003年进行的实验中，普罗米修斯计划开发一种功率为12千瓦、比冲高达6000秒的大功率离子电力推进发动机，这极大地改善了深空1号上使用的离子发动机的性能。不幸的是，由于美国整体太空政策的调整和计划本身的一些技术困难，美国在2005年底终止了普罗米修斯计划。然而，该计划实施过程中积累的技术为今后核动力推进火箭的进一步应用奠定了基础。