NASA: 用核动力推动未来太空探索

(依靠核聚变动力系统火箭驱动的宇宙飞船概念图。如图所示，宇航员处于最前端的舱室内，通过两侧的太阳能电池板收集能量，用来启动融合反应。)

据美国专业网站“太空网”(space.com)6月11日报道，美国国家航空航天局(NASA)首席科学家认为，人类未来星际旅行的基础将是核聚变动力系统，因为传统的化学能火箭无法将人类送往更遥远的星空。

NASA科学任务理事会副主管、物理学家、已退役宇航员约翰*麦斯*格伦斯菲尔德表示，研制采用核聚变动力系统的火箭势在必行。传统的化学能火箭已不能满足星际旅行的需求，即使是仅在太阳系内进行星际飞行。以1997年10月发射的“卡西尼—惠更斯”号为例，其主要任务是对土星进行空间探测，然而直到2004年7月卡西尼号探测器才进入土星轨道。

据了解，核聚变动力系统可以为火箭提供更快的速度和更强的能源，也可以解决登录其他行星时遇到的能源短缺问题。未来，这种火箭将极大缩短星际飞行的时间，为人类充分探索和利用太阳系开辟新的道路。

NASA目前正在攻关核聚变动力系统，该技术将是下一个重大科技飞跃。格伦斯菲尔德说：“可以想象，如果我们能在一两个月内就前往土星，那将是多么美妙的情景。”

从技术层面分析，传统化学能火箭动力系统使用的燃料分为固态和液态。固态燃料的特点是：维护简单、发动机结构较轻便、适合于质量较小的推力要求，目前广泛用于中小型火箭发射。液态燃料的特点是：可快速反应释放强大能量、发动机结构较为复杂、加注燃料和维护更换具有一定危险性。主要适用于大型火箭，其比冲(火箭发动机单位重量推进剂产生的冲量)明显优于固态燃料，例如航天飞机使用的液态氢和液态氧。

我国在6月11日成功发射的神舟十号飞船，通过长征二号F运载火箭(CZ-2F)点火起飞，该火箭就是典型的液态燃料火箭，四个捆绑式助推器、芯一级和芯二级都采用了液态火箭发动机。

此外，还有一些运载火箭使用了固液混合发动机作为动力系统。例如由欧洲航天局(ESA)及国家中央发射场(CNES)联合建造的最新型一次性运载火箭——阿丽亚娜5型火箭(Ariane 5)ES型就使用了混合动力，其低温主引擎分别装载液态氧和液态氢，还拥有两枚固态助推火箭。

NASA的专家指出，现有的火箭动力技术可以让人类抵达遥远的太阳系边缘，但时间成本很高。例如往返火星的探索之旅，在NASA的探索计划中时间点预估为2030年中段，需要耗费大约500天。如果可以加快火箭的飞行速度，并配以有效的减速发动机，就可以减少宇航员在太空飞行中受到的辐射剂量，缩短后的旅程同时可以节省很多生活及能源消耗。

目前，美国宇航局先进概念研究所已经提出了几种核聚变发动机的设计方案。根据华盛顿大学的计算分析，使用核聚变技术可大大缩短火星之旅的时间，我们也许只需要一个月不到的时间就可以将宇航员送上火星。

全世界的空间技术研究机构始终在探索更加先进的宇宙飞船动力技术，其中有很多尚存于科幻故事中：“曲速推进”发动机、物质和反物质动力系统等。尽管这些技术对于现有的航天科技而言还显得遥不可及，但在不断的探索过程中势必会出现重大的发现。由NASA和日本空间研究机构测试的空间太阳帆技术似乎是目前最容易实现的一种动力系统，但以空间太阳帆为动力的飞船只适合超远距离的空间飞行，因为其加速过程较为缓慢。

科学家普遍认为，核动力系统是未来一段时间内完全可以实现的新型太空动力，然而过去几十年内，全世界的科学家投入了大量资金研发可控核聚变技术，但目前还没有成熟的可控核聚变反应堆，更不用说短期内作为宇宙飞船的动力系统，该技术还需要很长的路要走。格伦斯菲尔德认为，核聚变技术是未来三十年内急需有所突破的宇航动力技术，人类要想进入更遥远的宇宙深空，动力系统需要进行革命性的突破，地球上的可控核聚变研究应加快脚步，然后开始测试空间核聚变动力。

在此之前，使用核裂变技术研发动力系统或许是另一条途径。早在1946年，NASA与美国空军联合开展的火箭飞行用核发动机(NERVA)计划及漫游者(Rover)计划，试图打造出核动力推进技术。NERVA包括反应器、涡轮泵以及推进剂存储设备等。而前苏联的科学家在上世纪50年代，曾计划在飞行器上安装四台核动力涡轮发动机。这些核动力技术都基于核裂变技术，在这方面全世界已经拥有较为成熟的应用技术。

据了解，常见的使用核裂变技术的火箭动力系统包括核脉冲火箭、核电火箭、核热力火箭以及核冲压火箭等。以核热力火箭为例，其把工作流体，如氢在核反应堆中加热，接着从火箭发动机喷管中喷出产生推力的热力。经过NERVA计划验证，其反应堆结构比常见的核电站规模要小很多，但铀—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3000K左右，需要耐高温性能极佳的材料。此外，核动力技术用于太空环境时，也会面临核辐射的危险。如果可以克服这些难题，那么在核聚变动力系统无法实现的当下，核裂变动力技术也可以满足太阳系内的星际探索，甚至可进行无人飞船的恒星间旅行。

(来源：太空网space.com，内容有删节)