痴迷火星的美国祭出冷战遗产[科技谈]

by Lim Juhyeong

Published 15 Feb.2025 06:00(KST)

核动力太空火箭
推力为普通液体燃料火箭的2倍
冷战时代遗产…半个世纪后重见天日

在苏联与美国军备竞争激烈的冷战时期，美国国家航空航天局（NASA）曾尝试开发在当时堪称划时代的核动力宇宙运载火箭。该项目以“内尔瓦（NERVA）”为代号，一直研究到20世纪60年代，但最终在从未真正升空的情况下被废弃。此后，人们一度以为核动力火箭会和其他冷战遗产一起消失在历史中，但最近NASA又重新启动了这一项目。因为要前往比月球远得多的火星，就需要比现在强大得多的火箭，而核动力火箭被认为有可能成为解决方案。

40天内抵达火星的新概念火箭发动机

预计于2027年亮相的美国国家航空航天局核动力推进火箭想象图。NASA官网提供

NASA和美国国防高级研究计划局（DARPA）正以在2027年前制造出能够抵达火星的原型火箭为目标推进开发。上月10日（当地时间），NASA表示已成功开发出核动力火箭的核心部件——模块化散热板。

目前的宇宙运载火箭，是喷射固体燃料或液体燃料的火箭。固体燃料结构简单、成本效率高，但推力相对较弱；液体燃料结构更为复杂，但推力要强得多，因此非常适合作为商用宇宙运载火箭。

以目前最先进的液体燃料火箭往返火星也要耗费相当长的时间。根据2012年公开的NASA演示资料，用液体燃料火箭从地球飞往火星所需时间被计算为约120天。若将来要让人类在火星定居，就必须运输大量人员和物资，这样的时间显然过于漫长。

美国国家航空航天局选为火星探测运载火箭候选的核动力火箭发动机CAD图像。反应堆释放热量后，氢氧燃料膨胀并喷射，同时驱动发动机的涡轮机械。NASA格伦研究中心提供

但核动力火箭有望解决这一问题。以喷射氢氧化物的核动力火箭速度推算，仅需40～45天就能抵达火星。更重要的是，火箭上搭载的反应堆可以原样着陆在火星表面，被重新利用为可持续供电20年的发电装置。

推力至少为商用火箭的2倍

核动力火箭的工作机制与地面核电站相似。发生核裂变反应的反应堆释放出炽热高温，由于热反应，氢燃料膨胀并从推进喷嘴喷出，从而产生推力。以这种方式获得的比冲（specific impulse，即1千克燃料燃烧1秒钟所产生的推力，比冲越高意味着发动机效率越高）理论上可达900～1000秒，是液体燃料火箭（450秒）的2倍以上。

燃料效率高意味着可以用更少燃料飞得更远。比冲越高，火箭就可以在自重更轻的情况下搭载更多有效载荷（货物）。在航空航天工程中，重量是决定平台性能以及物流效率公式本身的关键因素。这也是核动力火箭被视为实现深空探测的“游戏规则改变者”的原因。

SpaceX的猎鹰重型火箭。采用液体燃料的现代商用火箭，其比冲在抵达火星方面存在实际极限。SpaceX提供

另一大优点是反应堆可以重新组装成发电机。要让外太空基地运转，就必须配备无需长期额外补给燃料、可以全天候运转的发电装置，而反应堆正适合承担这一角色。如果使用普通火箭，就得在货舱中额外装载笨重的发电机，火星探测任务的负担势必加重；而在核动力火箭方案中，运输工具本身就兼具发电手段的功能，因此可以更加灵活地应对各种情况。