核动力火箭如何帮助人类登陆火星？

　　2021年是火星探索的大年，如今中国、美国、阿联酋的火星探测器都已经进入火星轨道或者登陆火星表面，这也使得国际社会对于载人登陆火星的讨论热烈起来。最近据报道，美国国家科学院核动力研究小组主席、独立航天顾问罗杰·迈尔斯与他的同事发表了一份报告，称核动力火箭很可能是载人登陆火星项目的“核心技术”。

　　性价比极高的航天推进方式

　　目前，化学推进是航天的主流动力形式，但化学火箭的效率以及能量密度都不高。当年把宇航员送上月球的土星五号火箭携带了95万加仑的燃料。而据估计即使最简单的一趟火星登陆之旅，也需要消耗约1000吨推进剂，既昂贵又危险。

　　而核动力推进是利用核能进行推进的方式。在当前可控核聚变尚未安全实现的情况下，利用放射性衰变与可控核裂变产生的能量是核推进的主要方式。和其他推进方式相比，核动力推进能够提供极大的能量密度，用于核反应堆的铀燃料的能量密度是联氨（一种典型的化学火箭推进剂）的400万倍，因此很适合进行超长距离太空飞行任务。

　　美国核动力飞船假想图

　　当今核动力推进主要有两种形式，分别是核电推进与核热推进。核电推进实际上就是将核能进一步转化为电能，类似于在飞行器上搭建一个微型的核电厂，利用转化而来的电能作为推进能量，其后续推进形式实际上就是电推进。核电推进系统主要包括 3 个主要子系统: 核能源子系统、核电转换子系统和电推进子系统。其中核能源子系统即核能产生装置，目前太空核能的主要产生方式是放射性同位素衰变与核反应堆裂变; 核电转换子系统是将放射性同位素或反应堆释放出的热能，通过热电转换或者其他的方式转换成电能的装置; 电推进子系统是将电能进一步转换成航天器动能的装置，国外已有的研究中，这类电推进包括离子推力器 、霍尔推进器等。

　　核热推进则是将核能进一步转化为工质的热能，再利用喷管或者其他装置将热能转化为动能进行推进，其本质是热推进。通常核热发动机又分为固体堆芯、气体堆芯和液氧增强型核热发动机。核热推进系统的效率是化学推进系统的两倍多，这意味着它们在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。美国航天局的工程师估计，用核热能推进的火星之旅比用化学动力火箭的火星之旅缩短20%-25%。

　　未来载人登火的新希望

　　美国、苏联均于上世纪50年代进行过关于核动力火箭系统方案、关键技术和样机研究，由于试验验证条件、核安全及防护等难题，在70年代左右就纷纷终止了。不过在2009年，俄罗斯重新启动了核动力发动机的研发工作。在2018年，美国也宣布会在2021年将科研重心之一，转移到核动力发动机的研发之上。2020 年 2 月，美国国防高级研究计划局（DARPA）在 2021 财年的预算中提出了一个被称为敏捷月球操作演示验证（DRACO）的计划，此前这个项目叫做“火箭核反应堆（ROAR）”，这标志着美国准备重启核动力火箭的研究计划。

　　冷战期间苏联开发的核动力引擎

　　此次迈尔斯指出，载人登陆火星任务需要考虑到很多因素，尤其需要考虑抵达火星需要的时间、在火星上停留的时间、飞船返回的可靠性等问题。他认为，解决这些问题的关键就在于尽可能缩短地火往返时间，“尽可能快地完成飞行任务”，而这需要足够的燃料支持。因此迈尔斯和他的小组认为，核动力可能是一个更优选择，它可以用更少的燃料和更短的时间完成火星任务，甚至直接利用核动力发动机的推力借助引力弹弓效应回到地球，这同时也将把宇航员在火星表面停留的时间缩短至一个月。

　　军事小词典

　　核动力火箭：核动力火箭是利用核能进行推进的火箭，主要有核电推进与核热推进两种，和其他推进方式相比，核动力推进能够提供极大的能量密度，因此很适合进行超长距离太空飞行任务。

　科普中国-作者：兰顺正