随着载人航天技术不断进步,登上外星球,创建新家园,成为人类宏大的未来目标。其中,火星作为太阳系中与地球最相似的行星,有幸成为人类移民外星球事业的首选地之一。
然而,建立火星家园面临着重重挑战。比如,航天器采用传统化学能火箭发动机,执行地火往返任务至少需要2年多,而在没有大气层削弱辐射的太空中飞行时间越长,可能遭遇的故障就越多,人员面临伤病乃至生命危险的隐患也越大。因此,载人探火任务要求尽量缩短飞行时间,有必要创新航天动力技术。
近日,美国宇航局和美国国防先进研究计划局宣布,将合作研发核动力火箭发动机,争取2027年在轨验证技术。这项技术有望显著缩短航天员往返深空任务用时,将为执行载人火星探索任务奠定基础。
(相关资料图)
美国媒体公布的“敏捷登月行动示范火箭”项目下的核火箭想象图。
总体上讲,核动力火箭在动力输出功率上,或者在续航力方面,对比传统的化学能火箭,预计具备无可比拟的优势。
在所有论证的未来火箭动力方案中,核动力火箭优势鲜明,有望缩短航天器飞行时间,减少航天员在失重状态和宇宙辐射下的危险暴露,更有利于保持健康,还有望简化航天器生命保障系统的设计,降低负荷和系统复杂度,从而提升可靠性。
此外,核动力火箭的持续工作能力强,任务适应性更好,便于调整启动状态。如果任务临时中止,它有望在太空中航行一段时间后不补充燃料而安全返回地球。未来从火星等外星球上起飞时,核动力火箭有望简化操作,更可靠地踏上归途。
不过,核动力火箭不能一概而论。根据核能释放方式的不同,核动力火箭可分为3种:放射性同位素衰变型、核裂变型和核聚变型。
其中,放射性同位素衰变火箭发动机的工作原理是,将放射性同位素衰变所产生的射线辐射转变成热能,加热工质,形成推力。研究认为,它能够在持续数月的任务中不断产生微小推力,但不宜充当载人火星探测任务的主动力装置。
核动力火箭想象图
核聚变火箭发动机最令相关领域科研人员神往,其工作原理是利用较轻的原子核聚合成较重的原子核,在这种热核反应的过程中释放出惊人的能量。可惜核聚变控制难题尚未被攻克,高能激光点火技术仍不够可靠,所以这种发动机仍处于理论研究阶段,多见于科幻作品中。
目前,美国重点研制的核动力火箭基于核裂变工作原理,又称核热火箭,可以简单地理解为核电站“上天”,同样消耗核燃料。启动后,工质气体流经核反应堆,吸收热量,再从喷管加速喷出,产生推力。未来,核裂变火箭发动机或许能使产物呈现出等离子状态,工质气体被加热后高速喷出,产生更可观的推力或比冲。
使用核动力火箭不代表着载人探火任务“高枕无忧”,反而需要解决新问题。比如,随着航天员及其生活用品、工作设备增加,航天器会显著增重,必然对核动力火箭发动机的推力提出更高的要求。
同时,核动力固有的安全隐患必须引起高度重视,特别是核辐射对航天员健康的威胁。据悉,新一代核动力火箭方案在核辐射安全方面已经取得了突破性进展。
畅想不久的将来,核动力火箭有望实用化,移民火星将不再是梦想,而是人类航天探索史上的关键飞跃。(作者:喻海川)
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