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核动力发动机:深空探测的理想引擎
作者: 发布时间:2018-06-07 阅读次数:

  2017年1211日,美国总统特朗普签署第一份太空政策指令,宣布美国航天员将重返月球,并进军火星。无独有偶,之前有消息称,美国的一群工程师开始重启11972年停止研究的核动力火箭发动机的研究工作,为实现人类更快到达火星的愿望继续探索。核动力火箭发动机被认为是未来一段时间有望实现的新型航天动力。那么,核动力火箭发动机是一种什么样的动力系统?目前又存在哪些难点呢? 

  探索之路不再漫长 

  今年8月,美国宇航局与原子能公司BWXT签订了一份1880万美元的协议,用于为核热推进系统设计燃料和反应堆,而这项新火箭技术有可能开启太空探索的新纪元。 

  核动力火箭发动机是利用核反应或放射性衰变释放的能量加热工作介质,使工质通过喷管膨胀后高速排出产生反作用力,推动火箭高速飞行。核热火箭通常采用氢气作为工质兼冷却剂。 

   

  美国研制的这台“核发动机”或许能为首批登陆火星的航天员提供动力 

  核动力火箭发动机的优势之一是推力大,而这正是几乎所有发动机都追求的目标。目前,世界各国所用的化学燃料火箭发动机,尚无法助力火箭快速到达火星这样的星球。每次化学燃料火箭发射必须寻找合适的发射窗口,以便利用行星的引力来加速,实现探测器或飞船能真正飞往宇宙深处。而利用核能的核动力火箭发动机,由于推力大,不必利用行星引力,也不必担心航线限制,因而大大降低了火箭的发射要求。 

  同时,核动力火箭发动机可使深空探测飞行变得不再漫长,若飞船采用化学燃料火箭发动机推进,抵达火星需要9个月,而以核动力火箭发动机推进,速度可达24公里/秒,超过了第三宇宙速度(16.7公里/秒),两个月就能到达火星。 

  此外,核动力火箭发动机还具有比冲大、工作时间长等特点,特别是随着推进系统工作时间的增加,其质量优势更加明显。 

  核动力火箭发动机无论在动力上,还是续航能力上都有传统火箭发动机无可比拟的优势,其作为深空探测或空间轨道运输级的动力,可大幅提高运载器的性能,是未来航天运输系统及航天动力技术发展的重要方向之一,也是未来航天发展的必然趋势。 

  攻克难关待时日 

  根据核能释放方式的不同,核动力火箭发动机可分为放射性同位素衰变型、核聚变型和核裂变型三种。 

  放射性同位素衰变火箭发动机是将放射性同位素衰变产生的射线转变成热能,再加热工质形成推力,适用于低推力状态,不能用作火星探测器的动力装置。 

  核聚变火箭发动机是利用轻原子核在聚合成较重原子核过程中释放出大量能量加热工质产生推力。由于没有成熟的可控核聚变反应堆,因此核聚变发动机仍处于探索和研究阶段。 

  核裂变发动机在核心制造方面,其技术难度相对较小,在过去的60多年,以及未来的20~30年,由核裂变反应提供能量的核裂变火箭发动机,是人类唯一可以利用的核动力火箭发动机。 

  核动力火箭发动机性能高、速度快、寿命长,非常适用于长期在太空飞行的航天器,但核动力火箭发动机技术复杂,要攻克的难点不少。一是热防护问题。以核热火箭发动机为例,其反应堆结构比陆基核电站的规模要小很多,铀-235的纯度要求更高,达到90%以上。在高比冲要求下,发动机核心温度将达到2727摄氏度,发动机部件和推力室壳体必须能长时间承受如此高的温度而不被烧坏。二是辐射防护问题以及在解决核辐射的防护问题时如何不过多地加重航天器的质量。三是排气污染、核反应堆的控制以及高效率换热器的设计等。 

  将核动力火箭发动机应用于工程时,尚存在核动力火箭总体技术、核反应堆技术和核反应系统环保技术等关键问题。另外,还有技术风险大、试验难度高、进度慢、研制费用高等。这些都可能成为该项技术顺利实现工程应用的阻碍。 

  道路曲折前景好 

  虽然,通往外太空的征程困难重重,但这并不阻碍人类探求的愿望。上世纪50年代中期,美国和苏联几乎同时推动了全球范围内核动力火箭发动机的研究。例如,美国的“核动力火箭开发计划”和“用于空间推进的核动力火箭发动机的研制计划”。苏联也建立了大型核发动机试验基地,研制了多台不同推力、不同结构方案的核热火箭发动机,并开展了大量试验。这些研究虽起起伏伏,但仍然取得了巨大成就,为后续研究和工程应用奠定了坚实基础。 

  火星是目前除地球外人类研究程度最高的行星,也是载人登陆的首选行星。目前美国、俄罗斯在核动力火箭探测火星方面都有进展。 

  在美国的三步走探索深空的计划中,第三阶段是2033年前后进军火星。美国宇航局从2003年初开始研制核动力火星探测器,探测器发射时由多级化学火箭将其送入800公里以上的绕地轨道运行后,核动力火箭发动机开始工作,推动探测器冲出地球引力范围,并按预定轨道在太空高速飞行,最终抵达火星进行绕飞探测或着陆考察。 

  俄罗斯也在核发动机研究方面取得了不少进展。俄罗斯原子能公司一位负责人去年3月称,俄计划2018年对1台原型核能发动机进行测试,这将帮助航天员用6周时间就能到达火星。 

  核动力火箭发动机为人类充分探索深空开辟了新的道路。随着技术的不断进步和人类和平利用核能水平的提高,摆在科研人员面前的一道道难关终将被攻克。那时,人类往返火星的飞行时间将不是数月,而是数周或更短。 

  借用毛泽东诗句,“坐地日行八万里,巡天遥看一千河”,想象一下“坐船日行百万里,巡天遥看万千河”的太空旅行情景,好美! 

   《飞天科普周刊》

 
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