美国计划4年后首飞核动力火箭，需求和阻碍何在？

原创 看航空 

2023年1月，NASA和DARPA宣布将联合开展“敏捷地月空间验证火箭” (DRACO)计划，总经费预算为4.99亿美元。

这项计划最值得关注的地方，在于它将搭载航天飞行器X-NTRV，进行世界首次核动力火箭的在轨飞行。

X-NTRV的概念想象图

该项目中，由美国国家航空航天局（NASA）负责研制基于核热火箭发动机的新型推进系统，美国国防部预先研究计划局（DARPA）负责在X-NTRV航天器上集成核热推进系统，美国天军负责航天器发射。NASA希望通过使用核热推进技术缩短前往火星的时间，美军则希望提高在地月空间机动能力。

目前以洛马为首的多企业团队，正在与NASA和DARPA合作，研发可重复使用的X-NTRV核热推进（NTP）航天器，并计划在2027年实现太空飞行。

负责该项目的DARPA主任Stefanie Tompkins在公开采访中表示：

太空领域对于现代商业、科学发现和国家安全至关重要。通过DRACO核热火箭计划，实现空间技术跨越式进步的能力，对于更有效更快速地将材料运送到月球并最终将人类运送到火星至关重要。

一种HALEU核燃料

DRACO计划以美国早年的核动力火箭研究（比如NERVA计划）作为基础。出于防止扩散等因素，新的核动力火箭没有使用高浓缩铀作为燃料，而是采用了高含量低浓缩铀（HALEU）。铀原料由美国能源部提供，而洛马团队之一的BWX科技公司负责开发核反应堆并制造燃料。

为了减少项目的潜在风险，搭载核动力火箭发动机的X-NTRV将由美国空军的常规化学燃料火箭发射升空，直到进入预定轨道以后才会启动反应堆。

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诱人的性能前景

核燃料中蕴含的核能，远远高于常规燃料中的化学能。在设计合理得当的前提下，通过核反应堆释放能量、将推进剂加热成高温高速喷流的核动力火箭，可以获得远超化学能火箭的性能。通常认为核动力火箭的总体效率，可以达到化学能火箭的2—5倍。

以衡量火箭性能的关键指标“比冲”为例：

在现有的技术能力条件下，固体燃料堆芯的核热火箭，可以将作为工质的氢加热到2000~3000K的温度，实现800~1000秒的比冲。而在一些理论计算结果中，核火箭在反应堆中裂变物质处于气相（实际上是等离子体态）的情况下，可以将作为工质的氢加热到6000K的高温（但现在没有材料和结构能承受），从而获得高达2000秒的比冲。

化学燃料火箭的典型结构原理

核热火箭发动机的典型结构原理

液氢/液氧火箭的比冲，最大通常也只有455秒左右——这基本达到了化学能火箭的性能极限。即使是堪称“丧心病狂”的液氢/液氟燃料组合，在付出了不可接受的毒性、腐蚀性、成本代价后，比冲甚至还不到480秒。

在现有的理论框架支持下，只有基于金属氢燃料的火箭，其理论性能潜力可以接近核火箭，极限比冲可以达到1700秒左右。但就连“金属氢能否在常压常温下存在”这个最基本的问题，现在都没有确定的答案，金属氢燃料火箭的实用化前景也就无从谈起。

相对于化学燃料火箭，要实现性能上质的突破，可见未来内只有核热火箭是可行的技术路径。

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为何至今未实用化？

核动力火箭并不是一种新鲜的想法。利用核能上太空的幻想和预言出现在20世纪初期，在50年代就进入了实质性研发和地面试验验证阶段——特别是美国和苏联。但在20世纪70年代初到80年代初的十余年中，美国和苏联先后放缓甚至是完全停止了核动力火箭的研究；直到今天，全世界范围内都没有实用化的核动力火箭。

总体来说，核动力火箭自20世纪70—80年代以来的实用化受阻，主要源于以下几个因素：

美国冷战时期研究的NERVA核火箭发动机

首先，核动力火箭在技术上存在远大于化学燃料火箭的障碍。包括但不限于材料、冶金、热工、材料强度、辐照稳定性、振动稳定性、试验技术、测量技术......在大量的关键领域，核动力火箭均遭遇了在当时难以解决的困难——很多技术难关在今天依然非常棘手。

其次，化学燃料火箭发动机在二战结束以后的快速进步，使它们足以廉价、可靠、迅速地承担起所有从地表到近地空间范围内的进攻/防御需求；这导致核火箭在军用领域完全失去竞争力，军队也不再关心和投入资源。

军事需求的削弱，使核动力火箭的应用更依赖于非军事目的的航天科研项目。随着登月竞争中的失利，以火星为目标的太阳系行星间载人飞行计划，已经成为了核动力火箭唯一的需求依托。

20世纪60—70年代重型航天火箭的“核/化学”路线之争，以“土星五号”登月为标志，宣告化学燃料路线取得了无可置疑的胜利。

在70年代初，由于登月计划和越南战争带来的经济重负等一系列原因；美国的核火箭发动机计划不断收缩，并在1973年停止，相关试验台架和生产设施也被封存。在80年代初，苏联也意识到“在未来几十年。将核火箭发动机作为空间飞行器的主喷气发动机是不可能的。”

最后，环保压力同样是不容忽视的因素。实事求是地说，直到现在为止，空间核装置在演练和运行时的辐射安全问题都是缺乏有效保障的——比如一旦火箭在升空过程中爆炸，没有任何办法能阻止大量核燃料粉尘向大气层中不受控制地扩散弥漫。

切尔诺贝利等一系列严重核事故之后，对于安全和环保的顾虑，已经成为核火箭发展的最大阻碍

在20世纪50—70年代，针对核污染的担忧，在各国还没有形成足够强的舆论和政治力量，自然也并没有对核火箭的发展形成显著性的影响。但在20世纪80年代以后就完全不同了，切尔诺贝利核电站事故就对苏联政局形成了极大的冲击，并直接导致苏联核火箭发动机研究工作无限期停滞。

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结论

航空航天技术、核技术在近几十年中的高速发展，实际上已经扫除了核动力发展的绝大部分障碍，这也是DRACO计划得以实施的基础。但是核装置本身特殊的运行维护要求、一旦遭遇灾难性所引发的污染后果，都意味着极为昂贵和沉重的经济成本、政治风险代价，实际上在20世纪80年代之后，这些非技术性的因素，才是阻碍核动力火箭发展并走向实用化的最主要原因。

从现有的航天需求来看，核动力火箭真正能体现出巨大优势的任务背景，只能是载人飞向火星。两个行星间的距离是如此遥远，只有核动力火箭才能获得更为灵活的发射时间和地点选择余地，并携带更大的载荷，用更短的时间（这意味着更少的途中物资消耗）完成飞行过程，其获得的性能收益远远超出涉核所带来的高额代价和风险。

原标题：《美国计划4年后首飞核动力火箭，需求和阻碍何在？》

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