核動力火箭讓人類可登陸火星

一、核動力火箭是人類移民太空必備交通工具 

   人類向廣闊的宇宙太空發展已是歷史趨勢，而宇宙飛行器及火箭的動力大小及持續力已成為人類太空活動可達範圍的關鍵。太空專家表示，未來的太空任務必須靠核動力火箭來完成。國際原子能機構(IAEA)副主任米哈伊爾·楚達科夫說“核技術長期以來一直在太空任務中發揮著至關重要的作用，但未來的任務可能會依賴核動力系統進行更廣泛的應用——我們通往恆星的途徑是貫穿原子”。目前化學燃料的火箭無法將人類送往火星及更遠的深空，北京航天器系統工程研究所的杜輝引用中國空間技術研究院的一項研究說“對於需要高功率輸出的太空任務，例如載人火星任務或太空渡輪，基於裂變反應堆的電力系統可能是一個非常有競爭力的選擇”。除了為火箭提供推力外，太空船還需要電力，核反應堆可為宇航員提供更大的電力，以進行擴展太空探索任務及建立太空基地。目前各國的火箭是以化學能推進，能量密度及效率均低，也就是說火箭或飛船必須攜帶大量燃料以供消耗，如中國火星探測器「天問一號」重5噸，其中約一半是燃料。火星是除地球外，太陽系最適宜人類居住的行星，所以一直是研究和探索的焦點，而核動力飛船正是探索火星的「神器」。關於核動力火箭的研究，其實早於上世紀40年代已經開始，而首先提出核動力火箭概念的論文是1948年發表，這篇論文的作者正是「中國航天之父」錢學森。 

   由於太空中的宇宙射線會讓太空人遭受嚴重的輻射傷害，化學火箭由於速度太慢使人類在旅途中可能接受過多輻射劑量傷亡而無法登陸火星，目前火星探測器是利用化學火箭將探測器送入地球軌道，然後探測器在適當的時候加速，進入一個橢圓軌道，沿著新軌道飛行大概8個月左右與火星相交，從而實現登陸火星，這就是所謂的霍曼轉移。利用霍曼轉移登陸火星最大的優點就是節省燃料，能有最大載荷量。但它卻是以犧牲時間為代價的。這是目前探測器登陸火星的最有效方法，也是唯一的方法。如果想不藉助霍曼轉移或者想以最快的速度到達火星，那麼從地球到火星的漫長旅途中，必須利用有足夠大推力的核動力火箭，現有的化學火箭是不能實現的。 

二、人類火星之旅需克服太空宇宙射線輻射劑量     

(一)人類的生存問題

   人類會不會如恐龍一樣在地球上滅亡，科學家認為若無法改善生存空間是有可能發生的，目前地球上人口逾80億，預計2040年將增到95億，若無足夠的食物、水及能源，人類只有三個選擇(1)發動世界大戰消滅部分人口(2)困死地球跟老祖先恐龍一樣的命運(3)移民外太空。人類使用化學燃料的火箭可登陸月球，但是與地球最類似的火星就不易到達。火星與地球的平均軌道距離為2.25億公里，以現在的化學火箭約需7個月漫長飛行，期間宇宙射線輻射會危害人體。據歐洲航太局資料，在國際空間站上，太空人所面臨的輻射量，是長途航空飛行的200倍，而在火星任務中，沒有輻射屏蔽的太空人，將遇到比地球高700倍的輻射劑量。 

(二)登陸火星須克服太空輻射劑量問題

   NASA的火星探測器好奇者號於2011年發射，內部裝有輻射感應器，記錄前往火星的八．五個月航程中的輻射量，即使有太空船及防護衣等屏蔽，人體所受的太空輻射劑量相當於每5天接受一次全身斷層掃描。對太空中的宇航員造成威脅的輻射主要有兩種，一種是銀河宇宙射線的高能粒子輻射，現有太空船無法屏蔽，另一種是太空船可部分屏蔽的太陽風高能粒子輻射，長期遭受高輻射劑量將增加患癌風險。研究發現輻射劑量達1000毫西弗時，患癌風險增加5％，NASA規定宇航員此方面風險的可接受範圍是不超过3％。好奇者號在火星之旅中，每天受到的銀河宇宙射線輻射量平均為1.8毫西弗，受到太陽風高能粒子輻射只占總輻射的5％。假設往返火星的旅程為360天，那麼來回一次途中受到的輻射劑量就達到662毫西弗。蔡特林說，就美國NASA標準，他們所檢測到的輻射水平恰好等於可接受的限度。這將使人無法在火星上工作。   

(三)核動力火箭可縮短太空旅途時間

   核動力火箭比目前火箭快數倍，可大量減少宇航員旅程接受的輻射劑量。　

三、核動力火箭構造 

    核動力火箭可分為三種，第一種核動力火箭是用核熱推進(NTP)，即用核裂變反應堆產生的熱能加熱液體推進劑(如氫氣)，將其轉化為高溫氣體，通過噴嘴膨脹高速排出以提供推力並推動宇宙飛船得以高速飛行。具體而言，核反應釋放的能量可將液態氫加熱至攝氏 2,430 度，同時推進劑會膨脹，並以驚人的速度噴射出來。相比於化學火箭，核動力火箭每單位質量的推進劑可產生兩倍推力，因此飛船速度將大為增加，續航時間也更長。與傳統化學火箭相比，可將前往火星的旅行時間大為縮短。熱核火箭能加快太空旅程，而且發射到火星可以不再受霍曼轉移窗口的時間等待限制。1955年，美國洛斯阿拉莫斯實驗室進行了第一次熱核火箭實驗，在隨後幾年裡，美國建造了十幾個不同大小和功率的核反應堆並都取得成功。1961年，美國宇航局和原子能委員會開始合作研究核熱推進（NTP），美宇航局還成立了專門的太空核推進辦公室（SNPO）負責管理，開始研發火箭核發動機，美國人稱之為NERVA計劃。後來由於航天任務的需要和技術經濟方面的原因，美國放棄去火星轉而研發太空梭。至此，有關核熱火箭的相關項目紛紛被關停。2017年，由於技術不斷進步，美國宇航局投入重金再次研發核熱火箭，並改用更安全，更經濟的低濃縮鈾，這對捕獲處理排氣中的放射性粒子更容易。 

    第二種核動力火箭稱作核電推進(NEP)，其工作原理是利用大功率核裂變反應堆發電，將核能先轉為電能，推進流體（氣體、離子、等離子體）通過施加電場接收其能量以加速，使用電場加速離子，常用的推進劑包括氫、鋰、氙、氬和液態金屬。核電推進質量效率高，約為核熱推進的3倍，用電的推進設備包括離子推力器、霍爾推進器等，這些電力推進器原理較複雜。中國空間站的天和核心艙是世界首個使用霍爾推進器的航天器。第三種核動力火箭則是利用核聚變反應，該火箭將具有直接聚變驅動器(DFD)，可將聚變反應中產生的帶電粒子的能量直接轉化為推進力，但尚未成功。DFD可產生比其他系統高幾個數量級的特定功率，從而減少行程時間並增加有效載荷，從而使我們能夠到達深空目的地要快得多。目前中、美及俄都已投入研發核熱推進的火箭和飛船，希望作為載人探索火星，甚至更遙遠星球之用，而中國的核熱推進飛船，有望在未來幾年投入測試。 

四、各國太空核動力發展 

(一)美國

   美國的Gryphon Technologies公司贏得美國國防高級研究計劃局(DARPA)1400萬美元訂單，用來開發地月間行動驗證火箭（DRACO），尤其是開發高純度低濃縮鈾核熱推進（NTP）系統。NTP的推重比約為電力推進的10000倍，比沖則比化學推進高2~5倍。NASA在1959年到1972年之間曾進行過23次核熱推進反應堆測試，並研製了核動力發動機，但隨著1972年國會放棄登陸火星的計劃，這一項目也隨之終止。隨著NASA重新將登陸火星列為目標，2017年，NASA馬歇爾太空飛行中心與BWXT核能公司簽訂價值1880萬美元的合作協議，基於核熱推進技術開發新型高效太空飛行器，以使從地球到達火星的時間縮短減少太空人接受的輻射，並能以更少的燃料運送更多的載荷。DARCO火箭的推力將比傳統化學火箭高出5倍，NTP發動機的強大動力，可以讓軍用航天器在地月之間的廣大區域內快速機動，部署到所需的位置，包括地球軌道、月球軌道和拉格朗日點，甚至可以部署到月球表面之後再起飛——月球引力只有地球的六分之一，起飛要容易得多。如果NTP研製成功，顯然會對其他國家的月球探索活動造成很大的影響。

另外，美國已發布太空政策指令，推動NASA在月球表面提供持續動力並建造月球基地，進一步將宇航員送往更深遠的火星。這項太空政策指令代號SPD-6，內容為“國家太空核動力與推進戰略”（SNPP）。美國將實現SNPP的開發利用目標；開發先進的放射性同位素動力系統，以實現可在行星表面使用的動力系統並能用於太陽系的探索；美國在開發和使用SNPP相關係統時將堅持安全性、保障性和可持續性原則。NASA表示，核動力系統可為航天器提供動力，用於替換那些不能滿足航天任務需求的能源，譬如，解決任務環境太暗時太陽能失效、飛行路程太遠時攜帶燃料不足等瓶頸問題。具體來看，空間核動力系統包括放射性同位素動力系統和核反應堆，可持續為航天器提供能量、溫控和推進動力。為支持SPD-6指令，NASA當前階段的任務是要讓核動力系統更成熟，製造出在月球使用的“裂變表面動力系統”。NASA能源部和工業部門將設計、製造和測試10千瓦級裂變表面動力系統，併計劃於本世紀20年代末在月球上測試該系統，在月球表面提供持續動力並考驗其在火星上的使用潛力。此外，NASA還在改進核熱推進和核電推進能力。核推進將為月球以外的人類探索提供強大的動力，可顯著減少燃料的需求量，如果採用傳統的化學推進將宇航員送往火星，則需要大量推進劑。

(二)俄羅斯

  早在20世紀90年代，俄羅斯已啟動空間核反應堆計劃。2010年以來，俄一直從事基于兆瓦級能源模塊的核動力拖船研發工作。2019年，該拖船模型在當年的俄羅斯航展上首次亮相。次年，其三維圖像在“軍隊-2020”軍事技術論壇上展出。俄航天集團第一副總經理尤里•烏爾利契奇介紹，該集團計劃在2024年7月前完成“宙斯”核動力太空拖船的初步設計，2028年6月前建造完工，2030年送入軌道進行測試。該太空拖船最初將用于月球勘探，以後用于深空探測。“宙斯”核動力太空拖船是一種具有開放式架構的空間核動力裝置，本質是為航天器提供能量的“核電站”。“宙斯”核動力太空拖船由“安加拉-A5”火箭發射升空，主要由核反應堆、能量轉換系統、電能轉換系統和等離子體電火箭推進系統組成，核反應堆的最高設計壽命達12年。“宙斯”核動力太空拖船通過能量轉換裝置，將核反應堆釋放的熱能轉換為電能，為航天器提供能量，確保拖船正常運行和變軌航行。相比續航能力和載荷能力有限的傳統航天器，“宙斯”核動力太空拖船功率更大、續航時間更長，能運輸更多有效載荷。此外，核反應堆可實現全時全域高功率供能。 

   宙斯核動力太空拖船的核反應堆功率達到兆瓦級，不僅可滿足在地球軌道與空間站之間穿梭往來，還能用于執行深空運輸任務。宙斯核動力太空拖船可執行遙感探測、通信保障、跨軌道輸送物資等民事任務。除此之外，宙斯核動力太空拖船還具備一定的軍事應用潛力。外媒稱，這艘配裝兆瓦級動力裝置的拖船可使用電磁脈沖武器癱瘓敵方衛星，也可使用激光武器進行“射擊”。此外，它還具備天基監視能力，可從軌道上對空中目標進行監視，並將目標信息傳給地面武器系統，引導地面反導裝備進行打擊。未來，隨著“宙斯”核動力太空拖船投入使用，俄空天防御能力將得到進一步提高。 

(三)中國

    中國公布了未來月球和火星任務中使用的核反應堆計畫，正在開發的反應堆可以產生1百萬千瓦的電力，此型核裝置已完成原型設計及部份元件製造，預估其產生的核動力將是美國類似計畫的100倍。中國已公開唯一進入太空的核能裝置是玉兔2號上的一枚微型鈽238放射性電池，該裝置只能產生數瓦的熱能供其在月球的夜間使用。在探測較遠的海王星方面，航天工程師在《中國科學：技術科學》發表研究論文，提出利用核反應堆電源結合電推進的高比衝特性，輔以精巧的深空軌道設計，可大幅降低探測器燃料攜帶量，能夠滿足當前中國最大運載能力長征五號火箭的運載能力約束，使海王星環繞探測具備了工程可實現性。中國航天集團一院院長王小軍2021年6月在全球航天探索大會發表報告，當中除了講述中國太空人登陸火星的「三步走」和總體設計外，亦提到核熱推進是未來載人火星探測方案設計的重要選擇。他指出，在中國太空人登陸火星計劃中，「地球上升階段」，亦即把太空船組件等物資從地球送上太空，會使用7枚重型運載火箭和1枚載人運載火箭，這些火箭「採用化學推進劑」。講述的核動力飛船情況的王小軍是中國航天集團一院院長，也是航天領域權威。而未來的「地火轉移運載器」，也就是從地球附近太空飛向火星的飛船，則會採用核熱核電雙模式，以3部10噸級推力的核熱發動機作為主要動力，並利用核電裝置為各分系統提供電源。