勞斯萊斯與英國航天局合作,啟動核推進動力研究,什麼是核動力?

2021-01-15 科趣雜談社

核利用絕對是人類近代最偉大的成果之一,只要不是用於戰爭,核能為我們生活的方方面面造福,很多科學家看到了它的前景,稱它為新時代的「火種」。

如何縮短星際航行的時間一直是個大難題,現今人類的科技水平,相較之前已經取得了很大的進步,但還不夠,化學燃料動力的太空飛行器速度已經達到了一個瓶頸值,現在新的研究方向開始跨入如何有效利用核動能階段。

之前有篇探討為什麼我們相信宇宙中存在外星文明,甚至是科技比我們發達萬倍的文明,卻很難見到外星人的文章,就表明了一個概念,時間和距離是當前以及未來很長一段時間限制星際文明交流的枷鎖,有興趣可以了解一下:是否真有外星人,如果我們被外星文明發現,會被毀滅嗎?(上)是否真有外星人,如果我們被外星文明發現,會被毀滅嗎?(下)

現在地球人的太空競賽進入了2.0版,世界各國都想飛得更遠,搶先探索和了解更多的星球秘密,但都受限於這兩個要素——研究和發展新的動力技術以提升太空飛行器的極限速度,將是新一輪太空競賽的核心部分。

01核能動力太空飛行器是新未來

決定一個國家在太空中足跡能達到多遠,那採用了新動力推進方式的太空飛行器是基礎必要條件,速度更快,用時更短,距離越遠是各國行星科學家的終極追求。

目前航空動力普遍使用燃燒燃料和利用氧、氫化劑產生推力的化學推進裝置成本高昂且效率低下,用什麼來替代呢?首先想到的是太陽能,但在宇宙中,越往深空裡飛行,距離太陽越遠,能量越弱,顯示不是最優解。

經過摸索,核動能技術成為當前公認的最可能和最實際的替代技術——除了能效、清潔等方面大大優於化學燃燒技術之外,它帶來的速度提升至少是現有技術方式的兩倍。

核動力主要有下面這幾種方式去製造產生出強大的推力:

核熱推動:用反應堆產生鏈式反應,釋放高能熱量,瞬間汽化液態氫或氧推進劑,然後將它們通過壓縮管道噴出產生推力,這種方式技術上比較成熟,最早的核潛艇就是用的這種推進方式,它推力夠,但噴氣速度慢,還容易產生核汙染,所以無法用到太空飛行器上;核電推動:用核能發電,通過靜電力或電磁力等汽化氨、氙推進劑產生推力,同上面基本上樣,只是介質和做功對象不同,這種方式產生的推力不足,但噴氣速度很快,不會產生核汙染,技術也比較成熟。核變推動:這種是直接通過磁場引導噴出核裂變或核聚變後的物質產生推力,但目前也不完善,在放射性汙染、推力、速度上沒有全面超越前兩種蒸汽推進方式,而且本身在核變控制技術上難度非常高。核光推動:這個就比較科幻了,被專業術語稱為「無工質推進」,即它不噴出任何物質,簡單說靠發光,這主要存在於模擬試驗室中,它是利用核聚變產生的輻射光來產生推力,用鏡面反射的原理把它向反方向射出,我們在很多科幻電影中可以看到描述UFO用的就是這種推進方式,好處是完全沒有汙染,而且噴出的速度達到了光速!但基本沒有推力。

各種方式各有優劣,所以在這個階段,大家都主要是在攻堅核熱與核電的混合推進方式,想利用它們的各自優點,去蕪存菁。但在太空飛行器上,涉及到相當多的其它細節,目前還沒有國家能完美地利用這種混合核能轉換技術。

02世界各國都在加緊研發

英國在今天正式宣布,英國宇航局與羅爾斯·羅伊斯公司籤署了新的協議,一起研製用於太空飛行器的核推進發動機,如果最終實現,人類前往火星的航行時間將在現有的基礎上縮短一半——大約只需要3-4個月的時間即可抵達。

如果說羅爾斯·羅伊斯公司,可能大家不是太清楚,但提到它的另一個譯名「勞斯萊斯」,對的,就是那個大名鼎鼎的超豪華汽車品牌「勞斯萊斯」(現在屬於BMW旗下),那就無人不知無人不曉了。

這家公司除了這個舉世聞名的汽車品牌之外,其實本身是英國著名的老牌發動機研製公司,世界三大航空發動機生產廠商之一(另兩家分別是通用GE和普拉特·惠特尼),全歐洲最大的航空發動機製造商,生產各種型號的船舶、航空發動機及核潛艇的核動力裝置,世界上大多數的民用和軍用飛機均使用他家的發動機產品——重點是,二戰之後,航空發動機的研發製造一直才是他們的主業和拳頭產品,只是因為汽車在民眾中的普及程度高,所以汽車品牌反而比公司主業更加出名。

60多年來,他們也一直是英國皇家海軍核潛艇艦隊的發動機指定提供商,在如何安全、高效的利用和轉變核能提供強大的推動力上,具有豐富的經驗,隨著發展,羅爾斯·羅伊斯公司把核能技術應用到更多領域,他們還希望在陸地上建造幾個小型模塊化核反應堆,以滿足英國對電力需求的預期增長。

羅爾斯·羅伊斯公司的發言人表示,繼續深入研究和生產出太空飛行器的核動能發動機,使之能超過目前最強大的化學發動機速度的兩倍是他們的目標。

英國航天局執行長格雷厄姆·特諾克博士說,在太空中使用核能是「一項具有革命性意義的概念,使人類在進入火星之後可以解鎖未來的深空探索任務,這一切均離不開更好的動力技術。這項研究將幫助我們了解原子動力太空飛行器令人興奮的潛力,以及這項新興技術是否可以幫助我們比以往任何時候都更進一步,更快地穿越太空。」

英國的科學大臣阿曼達·索洛韋(Amanda Solloway)也對這項研究合作表示非常歡迎——核電「為太空探索提供了大變革的可能性」,並有助於英國在遭受疫情重創後,能創造更多的就業機會。

早在上世紀的50、60年代,美國就開始在內華達州的沙漠中對太空飛行器採用核動能技術進行了早期測試,但受限於客觀條件,於1971年終止。據公開的資料顯示,在之後的幾十年裡,他們陸陸續續的又進行了幾個與核能相關的項目,只是未公布更多細節和結果。

而我們國家,也從來沒有在這樣的科技競賽中落後,一直在默默研究中。早前公布的《2017-2045年航天運輸系統發展路線圖》中披露,2040年後核動力空天飛機項目將出現重大突破——屆時,人類從地球出發抵達火星只需要45天左右。

中國核動力飛船假象圖

在2018年的新聞中,官方還公布了之前在甘肅建造的兩座熔鹽冷卻核反應堆,這正是最適用於航空航天的空中核反應堆,且美俄都未能解決的高溫熔鹽對設備的侵蝕影響也被我們成功研發出的新型材料所解決。

太空競賽2.0的序幕早在我們普通人知曉之前已經悄然拉開,在新的時代背景下,任何國家都不希望在太空探索中被落下,為那些默默奉獻的中國科學家們點讚。#勞斯萊斯#

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