核動力火箭發展

一、核動力火箭是人類移民太空必備交通工具 

   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。人類向廣闊的宇宙太空發展已是歷史主流方向，而火箭的速度及持續力已成為人類太空活動可到達範圍的關鍵。太空專家表示，未來的深空探測任務必須靠核動力火箭才能完成。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稱對於需要高功率輸出的太空任務，例如載人火星任務，基於裂變反應堆的核能電力系統將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燃料推進，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，其中約一半是燃料的重量。火星是最類似地球的行星，也是太陽系除地球外可能最適宜人類居住的行星，所以一直是太空研究和探索的焦點，而核動力飛船正是探索火星的「神器」。 

   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。人類使用化學燃料的火箭雖可登陸月球，但火星就不易到達。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。美國宇航局(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。    　　

二、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。 

三、人類太空核動力發展 

   目前中美二國已是太空發展領先的第一梯隊，其他國家包括俄羅斯及歐盟都無法追及。 

(一)美國

   美國航天局局長近日表示，美國計劃在2027年前測試由核裂變驅動的核動力火箭使宇航員更有效的登陸火星。NASA局長比爾-納爾遜說美國宇航局將與美國軍方的研發機構DARPA合作，開發一個核熱推進引擎，並最快在2027年將其發射到太空。美國航天局幾十年來一直在研究核熱推進的概念，它將核裂變反應堆的熱量引入氫氣推進劑，以提供被認為比傳統化學火箭發動機更有效的推力。NASA官員認為核熱推進對於將人類送出月球和進入更深的太空至關重要，使用該技術從地球到火星的旅行可能需要大約四個月，而不是使用傳統的化學動力引擎的大約九個月。這將大大減少宇航員暴露在深空輻射中的時間，在前往火星的過程中也需要更少的補給，如食物和其他貨物。NASA副局長梅爾羅伊說如果我們為人類提供更快速的旅行那就是更安全的旅行。DARPA和NASA的官員說，計劃於2027年進行的核動力火箭演示是DARPA已有計劃的一部分，可提供NASA參考，DARPA在2021年向通用原子公司、洛克希德-馬丁公司和傑夫-貝佐斯的太空公司藍色起源授予資金，以研究核動力火箭。從1959-1973年，美國有一個應用核發動機(NERVA)的計劃，NERVA使用石墨芯反應堆加熱氫氣並通過噴嘴排出，產生的推力高達航天飛機發射器的一半以上。核動力火箭打算用於太空推進而不是發射，NERVA的後續發展是今天的核熱火箭(NTR)。1965年推出的美國SNAP-10A是一個45kWt的熱核裂變反應堆，使用ZrH慢化劑(或UZrH燃料)和共晶NaK冷卻劑供，給熱電轉換器面板產生650瓦的功率。美國的最後一個太空反應堆計劃是NASA-DOE-美國國防部的一個聯合項目，該項目開發了SP-100反應堆——一個2 MWt的快反應堆裝置和熱電系統，該計劃於20世紀90年代初終止。 

   核熱火箭(NTP或NTR)推進系統已經獲得了一些經驗，據說這些系統已經發展成熟並得到了驗證。核裂變加熱氫推進劑，氫推進劑作為液體儲存在冷卻罐中。熱氣(約2500℃)通過噴嘴排出以產生推力(可通過向超音速氫氣排氣中註入液氧來增加推力)。這比化學反應更有效。到20世紀80年代末，人們的注意力轉向了核電推進(NEP)系統，在該種設想中，核反應堆是電離子驅動的熱源，將等離子體從噴嘴中排出，以推動已經在太空中的航天器。超導磁電池電離氙(或氫)，將其加熱到極高的溫度(數百萬℃)，並使用極高的電壓使其加速，以極高的速度(例如30 km/s)將其排出，以提供推力。雖然相對於火箭來說，推力很小，但它在太空中的長期應用(例如數年)保證航天器的高速飛行。自2007年以來，NASA在火星和木星之間運行的“黎明號”飛船使用離子推進器，100多顆地球同步軌道通信衛星也使用離子推進器。它們都延長了衛星的運行壽命，降低了發射和運行成本。氙之所以被使用，是因為它容易電離，原子質量相對較高，而且是惰性的，儲存密度高。1998年至2001年，NASA首次使用離子推進器執行太空任務。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。 

(二)中國

   根據當代中國網報導，中國偉大科學家錢學森上世紀40年代就提到核動力火箭，目前中、美及俄都已投入研發核熱推進的火箭，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。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」。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。大家可以預期在不會太久的未來，中國太空人便會坐上飛得更快、更遠的核動力飛船，探索火星和更遙遠的星球。而到時他們的每次火星任務時間，或將比最初估計的3年大為縮短。另外，王小軍還提到中國將研製一種極為科幻的航天運輸系統「天梯」，作為航天器在太空的出發點。 

   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。