太空旅行的下一個時代應該包括核動力火箭

在NASA和Elon Musk的腦海中，有了火星的夢想，遠距離載人航天任務即將到來。但是，您可能會驚訝地發現現代火箭的前進速度並沒有過去的那麼快。

有很多理由認為，更快的太空船是更好的，而核動力火箭就是做到這一點的一種方法。與傳統的燃料燃燒火箭或現代太陽能電火箭相比，它們具有許多優勢，但是在過去的40年中，美國只有八次運載核反應堆的太空發射。

但是，去年，規範核太空飛行的法律發生了變化，下一代火箭已經開始工作。

SpaceX火箭從佛羅裡達的卡納維拉爾角（Cape Canaveral）發射

為什麼需要速度？

太空旅行的第一步涉及使用發射火箭使飛船進入軌道。這些是人們想到的火箭發射時想像的大型燃油發動機，由於重力的限制，在可預見的將來不太可能消失。

一旦船到達太空，事情就會變得有趣。為了逃避地球引力併到達深空目的地，船舶需要額外的加速度。這就是核系統發揮作用的地方。如果太空人想探索比月球甚至火星更遠的東西，他們將需要非常非常快地前進。空間巨大，一切都遙不可及。

速度更快的火箭對長距離太空旅行更有利的原因有兩個：安全性和時間性。

前往火星旅行的太空人將受到非常高的輻射水平，這可能導致嚴重的長期健康問題，例如癌症和不育症。輻射屏蔽可以提供幫助，但是它非常重，並且任務時間越長，需要的屏蔽就越多。減少輻射照射的更好方法是簡單地到達目的地。但是人身安全並不是唯一的好處。隨著太空機構進一步深入太空，重要的是儘快從無人飛行任務中獲取數據。Voyager-2花了12年才到達海王星，在那裡飛行時拍下了一些令人難以置信的照片。如果旅行者2號擁有更快的推進系統，那麼天文學家本可以早些年獲得這些照片和其中包含的信息。

速度不錯。但是，為什麼核系統更快？

當今系統一旦船舶逃脫了地球的重力，在比較任何推進系統時，需要考慮三個重要方面：

推力=系統能以多快的速度加速飛船

質量效率=在給定數量的燃料下系統可以產生多少推力

能量密度=給定數量的燃料可以產生多少能量

如今，最常用的推進系統是化學推進系統（即常規燃料燃燒火箭）和太陽能電力推進系統。

化學推進系統提供很大的推力，但是化學火箭並不是特別有效，火箭燃料的能量密度也不高。將太空人帶到月球的土星五號火箭在升空時產生了3500萬牛頓的力，運載了95萬加侖的燃料。儘管大部分燃料用於使火箭進入軌道，但其局限性顯而易見：要到達任何地方都需要大量重燃料。

電力推進系統利用太陽能電池板產生的電力產生推力。最常見的方法是使用電場來加速離子，例如在霍爾推進器中。這些設備通常用於為衛星供電，其質量效率比化學系統高五倍以上。但是它們產生的推力要小得多- 約為3牛頓，或者僅足以使汽車在大約兩個半小時內從0 mph加速到60 mph。能源-太陽-本質上是無限的，但離船越遠，太陽的作用就越小。

核動力火箭有前途的原因之一是因為它們提供了令人難以置信的能量密度。核反應堆中使用的鈾燃料的能量密度比肼（一種典型的化學火箭推進劑）高400萬倍。與成千上萬加侖的燃料相比，將少量鈾送入太空要容易得多。

那麼推力和質量效率呢？

第一枚核熱火箭建於1967年，在背景中可以看到。前景是將容納反應堆的保護殼。

核電的兩種選擇

工程師為太空旅行設計了兩種主要類型的核系統。

第一種稱為核熱推進。這些系統功能強大且效率適中。他們使用小型核裂變反應堆（類似於在核潛艇中發現的核裂變反應堆）加熱諸如氫氣之類的氣體，然後氣體通過火箭噴嘴加速以提供推力。美國宇航局的工程師估計，由核熱推進技術驅動的火星飛行任務比化學動力火箭飛行的任務要短20％-25％。

核熱推進系統的效率是化學推進系統的兩倍以上，這意味著它們在使用相同量的推進劑時產生的推力是其兩倍，並且可以提供100,000牛頓的推力。這足以在大約四分之一秒的時間內使汽車從0英裡每小時加速到60英裡每小時。

第二個基於核的火箭系統稱為核電推進。尚未建立核電系統，但其想法是使用大功率裂變反應堆發電，然後為諸如霍爾推進器之類的電力推進系統提供動力。這將非常有效，大約是核熱推進系統的三倍。由於核反應堆可以產生大量功率，因此可以同時操作許多單獨的電動推進器以產生大量推力。

核電系統將是不需要超長距離飛行任務的最佳選擇，因為它們不需要太陽能，效率很高並且可以提供相對較高的推力。但是，儘管核電火箭極有希望，但在投入使用之前，仍有許多技術問題需要解決。

為什麼還沒有核動力火箭呢？

自1960年代以來就對核熱推進系統進行了研究，但尚未在太空飛行。在停滯了60年之後，核動力火箭有可能在十年之內飛向太空。這一激動人心的成就將開啟太空探索的新紀元。人們將前往火星，科學將在我們整個太陽系內外進行新發現。