宇宙飞船需要飞得更快-核动力火箭可能是答案

随着NASA和埃隆·马斯克心中对火星的梦想，穿越太空的长途载人任务即将到来。但你可能会惊讶地发现，现代火箭的速度并不比过去的火箭快多少。

有很多原因说明更快的宇宙飞船更好，核动力火箭是实现这一目标的一种方式。与传统的燃料燃烧火箭或现代的太阳能电力火箭相比，它们有许多好处。

为什么需要速度?

太空旅行的第一步是使用发射火箭将飞船送入轨道。这些是人们想到火箭发射时想象的大型燃料燃烧引擎，由于重力的限制，它们在可预见的未来不太可能消失。

只有当飞船到达太空时，事情才变得有趣起来。为了摆脱地球引力到达深空目的地，飞船需要额外的加速度。这就是核系统发挥作用的地方。如果宇航员想要探索比月球或者火星更远的地方，他们的速度就需要非常非常快。太空是巨大的，一切都是遥远的。

速度更快的火箭更适合远距离太空旅行有两个原因:安全和时间。

前往火星的宇航员会暴露在非常高水平的辐射下，这可能会导致严重的长期健康问题，如癌症和不育。辐射屏蔽可以有所帮助，但它非常重，而且任务时间越长，需要的屏蔽就越多。减少辐射暴露的一个更好的方法就是快速到达目的地。

但人类安全并不是唯一的要求。随着航天机构对太空的探索越来越深入，尽快从无人任务中获取数据是非常重要的。旅行者2号花了12年的时间才到达海王星，它在飞过海王星时拍下了一些不可思议的照片。如果旅行者2号有一个更快的推进系统，天文学家就可以在几年前获得这些照片和信息。

速度更快当然是好的。但是为什么核系统更快呢?

一旦飞船脱离了地球引力，在比较任何推进系统时，有三个重要的方面需要考虑:

推力-系统能使船加速的速度

质量效率-一个系统在给定的燃料量下可以产生多少推力

能量密度——给定数量的燃料能产生多少能量

今天，使用中最常见的推进系统是化学推进-即常规燃料燃烧火箭-和太阳能电力推进系统。

化学推进系统提供了很大的推力，但化学火箭的效率不是特别高，而且火箭燃料的能量密度也不是那么高。将宇航员送上月球的土星五号火箭在升空时产生了3500万牛顿的力，并携带了95万加仑的燃料。虽然大部分燃料用于将火箭送入轨道，但限制是显而易见的:它需要大量的重燃料才能到达任何地方。

电力推进系统利用太阳能电池板产生的电力来产生推力。最常见的方法是使用电场来加速离子，比如霍尔推进器。这些设备通常用于为卫星提供动力，质量效率比化学系统高出5倍以上。但它们产生的推力要小得多——大约3牛顿，或者只够让一辆汽车在两个半小时内从0加速到60英里每小时。能量来源本质上是无限的，但飞船离太阳越远，它的用处就越小。

核动力火箭有前途的原因之一是它们提供了难以置信的能量密度。核反应堆使用的铀燃料的能量密度比联氨高出400万倍，联氨是一种典型的化学火箭推进剂。将少量铀送入太空要比将数十万加仑燃料送入太空容易得多。

那么推力和质量效率呢?

核能的两种选择

工程师们为太空旅行设计了两种主要类型的核系统。

第一种叫做核热推进。这些系统非常强大，效率中等。他们使用一个小型核裂变反应堆(类似于核潜艇中的反应堆)加热氢气等气体，然后通过火箭喷嘴加速气体以提供推力。美国国家航空航天局的工程师估计，以核热推进为动力的火星任务比使用化学动力火箭的行程要短20%-25%。

核热推进系统的效率是化学推进系统的两倍多，这意味着它们使用相同质量的推进剂产生的推力是化学推进系统的两倍——可以提供10万牛顿的推力。这足以让一辆车在四分之一秒内加速至60英里/小时。

第二种核动力火箭系统被称为核电推进。目前还没有建造核电力系统，但想法是使用一个高功率裂变反应堆来发电，然后为一个像霍尔推进器一样的电力推进系统提供动力。这将是非常有效的，大约是核热推进系统的三倍。由于核反应堆可以产生大量的能量，许多单独的电动推进器可以同时工作来产生大量的推力。

核能电力系统将是非常远程任务的最佳选择，因为它们不需要太阳能，具有非常高的效率，可以提供相对较高的推力。但是，虽然核电火箭极具前景，但在它们投入使用之前，仍有许多技术问题需要解决。

为什么还没有核动力火箭?

自20世纪60年代以来，人们一直在研究核热推进系统，但还没有在太空中飞行。

美国于20世纪70年代首次实施的规定，基本上要求任何核空间项目都要经过多个政府机构的逐案审查和批准，并得到总统的明确批准。再加上缺乏用于核火箭系统研究的资金，这种环境阻碍了进一步改进用于太空的核反应堆。

2019年8月，特朗普政府发布了一份总统备忘录，这一切都改变了。虽然新指令坚持有必要保持核发射尽可能安全，但允许核材料数量较低的核任务跳过多机构批准程序。只有赞助机构，比如NASA，需要证明任务符合安全建议。更大的核任务将经历与以前相同的过程。

随着法规的修订，NASA在2019年的预算中获得了1亿美元用于发展核热推进。DARPA还在开发一种太空核热推进系统，以实现地球轨道以外的国家安全操作。

经过60年的停滞，核动力火箭有可能在十年内进入太空。这一令人振奋的成就将开创太空探索的新时代。人们将前往火星，科学实验将在整个太阳系和太阳系以外的地方取得新发现。