核動(dòng)力飛船是以核能為動(dòng)力的飛船。目前化學(xué)燃料的火箭推力太小并且持續(xù)力太低，而安裝了核動(dòng)力的飛船和探測(cè)器，由于推力強(qiáng)大，不必利用行星引力，更不必?fù)?dān)心航線的限制。核動(dòng)力火箭無(wú)論是在動(dòng)力上還是續(xù)航力上都有傳統(tǒng)火箭無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)航天業(yè)的必然趨勢(shì)。
20世紀(jì)50年代初，核動(dòng)力航天器誕生于美國(guó)。美國(guó)的核動(dòng)力航天器以同位素航天器為主，應(yīng)用于導(dǎo)航、通信、氣象等領(lǐng)域。蘇聯(lián)則以核反應(yīng)堆航天器為主，大都應(yīng)用于軍事海洋監(jiān)視。1958年，美國(guó)核科學(xué)家泰勒提出了獵戶座計(jì)劃。1978年，核動(dòng)力的蘇聯(lián)海洋偵察衛(wèi)星“宇宙-954”墜毀于加拿大西北部，造成近10萬(wàn)平方公里的放射性污染。迫于太空無(wú)核化的壓力，蘇美兩國(guó)分別于1988年、1994年終止了核動(dòng)力航天器的研究和發(fā)射。進(jìn)入21世紀(jì)，受載人星際航行需求的牽引，美俄重啟了兆瓦級(jí)以上的核動(dòng)力航天器研發(fā)計(jì)劃。2003年初，美國(guó)航空航天局開(kāi)始研制不載人的核動(dòng)力火星飛船。2009年10月，俄羅斯計(jì)劃制造核動(dòng)力宇宙飛船。2014年8月，歐盟完成了核動(dòng)力航天器推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)路線圖。中國(guó)也在積極研制空間核反應(yīng)堆技術(shù)，2018年，中國(guó)國(guó)防科工局向媒體公布了“十三五”時(shí)期中核集團(tuán)的未來(lái)發(fā)展藍(lán)圖。
核動(dòng)力飛船的核動(dòng)力利用方式有熱核火箭、核脈沖推進(jìn)、核電推進(jìn)三種。太空飛船應(yīng)用核動(dòng)力仍存在安全隱患，核輻射對(duì)宇航員造成威脅的問(wèn)題亟待解決。核裂變動(dòng)力飛船可以將宇航員以更快的速度送往火星以及火星之外更遙遠(yuǎn)的宇宙空間，任務(wù)時(shí)間和費(fèi)用降低，行星際探索會(huì)大規(guī)模展開(kāi)。
科研背景
截至2021年，化學(xué)推進(jìn)是航天的主流動(dòng)力形式，但化學(xué)火箭的效率以及能量密度都不高。作為載人飛船的主要?jiǎng)恿Γ肆炎儎?dòng)力飛船可以將宇航員以更快的速度送往火星以及火星之外更遙遠(yuǎn)的宇宙空間，任務(wù)時(shí)間和費(fèi)用降低。
核動(dòng)力系統(tǒng)是星際航行領(lǐng)域最具前景的太空動(dòng)力來(lái)源。第一，使用化學(xué)燃料的航天器推力難以持久，每次發(fā)射必須尋找合適的發(fā)射窗口，以便利用行星的引力來(lái)加速。核動(dòng)力航天器的推進(jìn)系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)化學(xué)燃料航天器，負(fù)荷的承載量大，進(jìn)入行星軌道并返回地面的方式靈活。第二，傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池板不能滿足載人星際航行的能量需求，必須依賴(lài)于核電系統(tǒng)的有效穩(wěn)定供給。第三，核動(dòng)力航天器結(jié)合了空間技術(shù)和核技術(shù)的特長(zhǎng)，受到航天大國(guó)的關(guān)注。
發(fā)展沿革
20世紀(jì)50年代初，核動(dòng)力航天器誕生于美國(guó)。美國(guó)的核動(dòng)力航天器以同位素航天器為主，應(yīng)用于導(dǎo)航、通信、氣象等領(lǐng)域。中國(guó)火箭專(zhuān)家錢(qián)學(xué)森在美國(guó)期間也曾參與過(guò)這項(xiàng)研究。美國(guó)的成就是推力較小的核能離子火箭，這種火箭適用于行星探測(cè)器，但不適用于載人航天。蘇聯(lián)則以核反應(yīng)堆航天器為主，大都應(yīng)用于軍事海洋監(jiān)視。
1958年，美國(guó)核科學(xué)家泰勒提出了“獵戶座計(jì)劃”。根據(jù)計(jì)劃，獵戶座火箭將從美國(guó)內(nèi)華達(dá)州杰克斯平地核試驗(yàn)場(chǎng)發(fā)射升空，整個(gè)火箭和飛船加在一起有16層樓高，飛船尾部的推進(jìn)盤(pán)直徑41米，發(fā)射平臺(tái)由8座高達(dá)76米的發(fā)射塔組成。在起飛階段，以每秒一枚的速率引爆100噸三硝基甲苯當(dāng)量的小型原子彈；當(dāng)火箭被發(fā)射升空后，它的尾部每10秒鐘就要引爆一顆相當(dāng)于2萬(wàn)噸TNT當(dāng)量的小型原子彈。獵戶座計(jì)劃釋放的核輻射塵會(huì)污染地球環(huán)境，這是獵戶座計(jì)劃最終沒(méi)能實(shí)現(xiàn)的原因之一。
1978年，核動(dòng)力的蘇聯(lián)海洋偵察衛(wèi)星“宇宙-954”墜毀于加拿大西北部，造成近10萬(wàn)平方公里的放射性污染。迫于太空無(wú)核化的壓力，蘇美兩國(guó)分別于1988年、1994年終止了核動(dòng)力航天器的研究和發(fā)射。
進(jìn)入21世紀(jì)，受載人星際航行需求的牽引，美俄重啟了兆瓦級(jí)以上的核動(dòng)力航天器研發(fā)計(jì)劃。2001年以來(lái)，俄羅斯航天署制定了以月球基地和載人火星探測(cè)為代表的、以空間核動(dòng)力技術(shù)支持的遠(yuǎn)景發(fā)展計(jì)劃。
2003年初，美國(guó)航空航天局開(kāi)始研制不載人的核動(dòng)力火星飛船。它采用固體堆芯式核裂變火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)射時(shí)先用化學(xué)燃料火箭將它送入800千米以上的繞地軌道，然后核火箭才開(kāi)始工作，推動(dòng)飛船沖出地球引力范圍，最終抵達(dá)火星。2004年1月，小布什發(fā)布太空探索愿景，提出了重返月球和載人登陸火星等太空探索的任務(wù)。
2009年10月，俄羅斯航天部門(mén)負(fù)責(zé)人稱(chēng)，俄羅斯打算制造核動(dòng)力宇宙飛船，配置的核反應(yīng)堆功率將達(dá)兆瓦級(jí)。核動(dòng)力飛船的初步設(shè)計(jì)可能于2012年前完成，建造過(guò)程預(yù)計(jì)9年，花費(fèi)170億俄羅斯盧布（約合6億美元）。
2014年8月，歐盟完成了核動(dòng)力航天器推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)路線圖。中國(guó)也在積極研制空間核反應(yīng)堆技術(shù)，計(jì)劃2015年完成地面試驗(yàn)，2020 年定型，2025 年發(fā)射“百千瓦級(jí)核反應(yīng)堆試驗(yàn)星”，進(jìn)行在軌演示驗(yàn)證，掌握超大功率空間核反應(yīng)堆電源技術(shù)。2018年，中國(guó)國(guó)防科工局向媒體公布了“十三五”時(shí)期中核集團(tuán)的未來(lái)發(fā)展藍(lán)圖，中國(guó)將加快在空間核動(dòng)力技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用。
2018年，美國(guó)宣布會(huì)在2021年將科研重心轉(zhuǎn)移到核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)之上。2020年2月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）在2021財(cái)年的預(yù)算中提出了一個(gè)被稱(chēng)為敏捷月球操作演示驗(yàn)證（DRACO）的計(jì)劃，此前這個(gè)項(xiàng)目叫做“火箭核反應(yīng)堆（ROAR）”，這標(biāo)志著美國(guó)準(zhǔn)備重啟核動(dòng)力火箭的研究計(jì)劃。
中國(guó)也有類(lèi)似的核能火箭項(xiàng)目，但據(jù)估計(jì)，真正意義上的核能飛船至少要到21世紀(jì)50年代才可能研制成功，這還需要實(shí)現(xiàn)對(duì)核聚變的完全控制。目前，化學(xué)火箭仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，盡管它們有許多缺點(diǎn)，但由于其巨大的推力，化學(xué)火箭將在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)統(tǒng)治全球航天領(lǐng)域。
核動(dòng)力利用方式
熱核火箭
安裝在航天器上的核反應(yīng)堆可以使用由裂變釋放出的能量來(lái)加熱一股氫氣流，然后將它從火箭噴嘴噴出， 它的速度會(huì)遠(yuǎn)高于單純?nèi)紵龤渑c氧， 這種設(shè)計(jì)被稱(chēng)為熱核火箭，理論上其效率至少是常規(guī)化學(xué)火箭的2倍。 1966年，美國(guó)洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室曾制造了一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的發(fā)動(dòng)機(jī)，作為1978年美國(guó)航宇局載人火星任務(wù)的一部分。1972 年，由于預(yù)算原因，該項(xiàng)目被取消，但這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的原型機(jī)被認(rèn)為取得了圓滿成功。它在地面上進(jìn)行了成功的測(cè)試，以滿負(fù)荷運(yùn)行了28分鐘。
核脈沖推進(jìn)
還有一個(gè)更為高效的核推進(jìn)方式，直接利用核爆炸 , 被稱(chēng)為核脈沖推進(jìn)。 它會(huì)在飛船的后方引爆一系列小型的核彈，這些爆炸會(huì)推動(dòng)一塊重型的鋼板，它連接著阻尼活塞，以此來(lái)把爆炸沖擊減緩成連續(xù)的加速。1958年，美國(guó)的獵戶座計(jì)劃就是利用核爆炸作為推進(jìn)方式。
核電推進(jìn)
美國(guó)航宇局的曙光探測(cè)器和日本的隼鳥(niǎo)2號(hào)都已經(jīng)證明，電推進(jìn)系統(tǒng)能以低廉的成本獲得極高的效率。但如果離子引擎由核反應(yīng)堆而非太陽(yáng)能電池板供電的話，其可用的推力會(huì)急劇增加。俄羅斯的克爾德什研究中心研發(fā)的一個(gè)由一兆瓦核反應(yīng)堆所驅(qū)動(dòng)的核電推進(jìn)系統(tǒng)，它的功率是使用太陽(yáng)能電池板的曙光探測(cè)器的750倍以上，可以用作核動(dòng)力太空拖船，把衛(wèi)星送入更高的軌道，或者是清除太空垃圾。
目的
核動(dòng)力飛船計(jì)劃的最終目的是進(jìn)行大規(guī)模的太空探索計(jì)劃，這包括對(duì)太陽(yáng)系的全面勘探，長(zhǎng)期載人任務(wù)，以及對(duì)近地外行星和小行星的詳細(xì)研究。利用核能推進(jìn)技術(shù)，飛船能夠獲得更長(zhǎng)的飛行時(shí)間和更大的推力，這使得它們能夠抵達(dá)遙遠(yuǎn)的太空目的地，為人類(lèi)提供前所未有的探索機(jī)會(huì)。
核動(dòng)力航天器自誕生之日就注入了軍事基因。冷戰(zhàn)時(shí)期典型的核動(dòng)力航天器，美國(guó)的“子午儀”和SNAPSHOT，蘇聯(lián)的“獵戶座”和RORSAT，都應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。隨著各大國(guó)競(jìng)相搶占太空制高點(diǎn)，太空軍事化難以逆轉(zhuǎn)。無(wú)論是充當(dāng)“航天母艦”角色的空間站，還是穿梭于星際之間的航天飛機(jī)和宇宙飛船，核動(dòng)力航天器使得在太空實(shí)施偵察監(jiān)視、指揮控制、攔截摧毀、支援保障等一系列作戰(zhàn)活動(dòng)成為可能。研發(fā)具備兆瓦級(jí)功率水平的核動(dòng)力航天器，將是體現(xiàn)國(guó)家科技實(shí)力的深空探測(cè)和更具戰(zhàn)略威懾的空間武器的有力支撐。
影響
核動(dòng)力飛船配置的核反應(yīng)堆功率預(yù)計(jì)達(dá)兆瓦級(jí)，遠(yuǎn)超俄羅斯20世紀(jì)“美蘇冷戰(zhàn)”時(shí)期制造的核動(dòng)力衛(wèi)星。這一計(jì)劃如果成功，會(huì)使俄羅斯航天技術(shù)達(dá)到新高度，超越其他國(guó)家發(fā)展水平，也會(huì)大幅提升俄羅斯新一代載人飛船試驗(yàn)船的性能、降低飛船發(fā)射和運(yùn)行時(shí)的能耗，同時(shí)有助于能源創(chuàng)新產(chǎn)品的研究工作。
利與弊
科學(xué)家們對(duì)于核動(dòng)力太空旅行的前景充滿信心。有了核動(dòng)力，人類(lèi)可以到火星上去探索未知世界，可以在月球上建設(shè)永久基地，可以對(duì)木星那顆冰冷的衛(wèi)星“木衛(wèi)二”探個(gè)究竟，還能發(fā)射無(wú)人飛船到地球所在太陽(yáng)系之外的浩瀚宇宙，長(zhǎng)達(dá)十年無(wú)需返回，動(dòng)力幾乎不會(huì)衰竭，可以連續(xù)完成探測(cè)任務(wù)。
太空飛船應(yīng)用核動(dòng)力仍存在安全隱患，核輻射對(duì)宇航員造成威脅的問(wèn)題亟待解決。核動(dòng)力飛船內(nèi)的輻射量相當(dāng)于每天做8次X光胸透。宇航員從太空返回之后，肌肉量一般會(huì)減少30％，骨量減少10％。
評(píng)價(jià)
核動(dòng)力火箭從地面發(fā)射時(shí)可能造成輻射危險(xiǎn)。外層空間中核動(dòng)力火箭能源效率是普通火箭的兩倍，在執(zhí)行運(yùn)載宇航員和物資器材任務(wù)等方面擁有諸多優(yōu)勢(shì)。——美國(guó)航空航天局研究核動(dòng)力火箭的高級(jí)工程師博羅夫斯基評(píng)
這是一系列誘餌式測(cè)試氣球中的一個(gè)，目標(biāo)是某些有錢(qián)卻不理智的西方國(guó)家或者企業(yè)。——俄羅斯航天項(xiàng)目顧問(wèn)、美國(guó)工程師詹姆斯·奧貝評(píng)
把核材料置于太空不安全。它們可能對(duì)飛行器重返地球構(gòu)成威脅。——國(guó)際環(huán)保組織“綠色和平”成員、俄羅斯人弗拉迪米爾·丘普羅夫評(píng)
俄羅斯總統(tǒng)德米特里·梅德韋杰夫?qū)@一計(jì)劃表示贊賞。他說(shuō)：“這是一個(gè)非常嚴(yán)肅的項(xiàng)目，我們需要找到這筆資金。
參考資料 >
俄擬造兆瓦級(jí)核動(dòng)力宇宙飛船.新浪網(wǎng).2024-10-16
核動(dòng)力飛船蓄勢(shì)奔火星.光明網(wǎng).2024-10-16
核動(dòng)力火箭是未來(lái)航天業(yè)的必然趨勢(shì).國(guó)家原子能機(jī)構(gòu).2024-05-29
核動(dòng)力航天器“重出江湖”:或致太空爭(zhēng)霸.國(guó)家航天局.2024-10-16
核動(dòng)力火箭征服太空.中國(guó)數(shù)字科技館.2024-10-16
中國(guó)航天將進(jìn)入核動(dòng)力時(shí)代.中國(guó)核技術(shù)網(wǎng).2024-10-16
核動(dòng)力火箭如何幫助人類(lèi)登陸火星?.軍事科技前沿.2024-10-16