空间核动力前景广阔

李会超

2018年03月21日10:05  来源:北京日报
 
原标题:空间核动力前景广阔

在全国“两会”上,人大代表、中国航天科技集团六院院长刘志让表示,该院正联合国内核动力相关研究设计单位,开展空间核动力方案论证和关键技术研究工作,后续将形成核热、核电等多种方案,拓展空间任务的适应性。

一枚体态巍峨的火箭腾空而起后,最终却只能将重量相对火箭小很多的航天器送入轨道。以刚刚成功首飞的猎鹰重型火箭为例,其起飞时的整体重量高达1420吨。而即便在放弃可回收功能来换取更高运载能力的情况下,这种火箭也仅仅能将63.8吨的载荷送到近地轨道上,仅相当于其起飞重量的4.5%左右。近地轨道距离地面的高度一般在几百公里左右,对于去往更遥远太空中的飞行,火箭能够运载的有效载荷会进一步下降。例如,发射去往火星的载荷时,猎鹰重型火箭的运载能力为16.8吨,仅相当于其起飞重量的1.2%。

造成当前火箭运载效率低下的一个重要原因是燃料的比冲(单位质量推进剂所产生的冲量)太低。目前使用的火箭,是通过将燃料的化学能转化成热能的方式,加热加速气体来使火箭获得推力的。以这种方式工作的火箭被称为“化学火箭”。目前化学火箭常用的液氧-液氢推进剂,其理论最大比冲为510秒。

据估计,如果使用核燃料驱动火箭,其理论最大比冲可以高达约一百万秒,比液氧-液氢化学火箭足足高了4个量级。因此,要在未来将大型航天器送到深空之中,真正实现科幻电影中所畅想的星际旅行,核能是目前可知的唯一选择。

热核火箭:技术跨度最小

在所有核能火箭的实现方式中,热核火箭是结构和原理与现有化学火箭最相似的一种。因此,其技术跨度也较小,实现也相对容易。

热核火箭的发动机和化学火箭的发动机构造基本相似,其基本原理也是将推进剂加热后向后喷出,让火箭获得前进的动力。但和化学火箭不同的是,热核火箭加热推进剂的热量由核反应释放,而不像化学火箭那样由化学反应释放。

根据反应堆材料的不同,热核火箭可以分为固体堆芯、液体堆芯和气体堆芯三种。固体堆芯火箭发动机的构造和传统化学火箭发动机最像。在反应堆中,通过与核电厂中的核反应类似的方式控制核反应发生的速度:反应堆周围布置了一圈用于控制堆内中子流的控制棒。当控制棒抽出时,中子流增加,链式核反应就进行得较快,发动机可以输出较高功率。如果暂时需要减小发动机的推力或停机,则将控制棒推入反应堆来减小堆内的中子流即可。

限制固体堆芯核火箭能力发挥的一个因素是发动机材料所能承受的最高温度。由于核反应能够产生的温度一般远远高于目前可用的材料能够承受的温度,因此不得不将核反应的速率限制得比较低,不能充分发挥核反应释放能量的本领。为了在有限的温度下获得尽可能高的比冲,需要选择分子量尽量小的推进剂,因此固体堆芯核火箭发动机一般使用液氢作为燃料。但此时,液氢承担的任务仅仅是带走核反应产生的热能,自身并不燃烧。

由于热核火箭仍然需要使用推进剂,且核反应的能力不能被完全发挥,其比冲目前只能达到1000秒左右。但这已经是液氧-液氢发动机实际能够达到的比冲的2倍多。此外,由于固体堆芯发动机的体积和重量较大,其推力与重量的比大概只能达到10左右,低于目前化学火箭70左右的推重比。受这些限制,热核火箭发动机还不能完全取代化学火箭发动机来执行从地面发射航天器的任务。但其高比冲的特点特别适合推动已经进入近地轨道的飞行器向深空探测的轨道转移。

美国航天局曾经提出过这样的设想:先使用重型化学火箭将BNTR热核火箭的各个组成部分送入近地轨道中,在近地轨道上完成热核火箭组装后,等待航天飞机将宇航员及其住舱一并发射上来。在完成最终的组合后,热核火箭提供的动力将把重约137吨的组合体从近地轨道摆渡到火星轨道,并在完成任务后返回。为了进一步提升热核火箭的性能,研究者们已经开始了对液体堆芯火箭和气体堆芯火箭的研究,这两种类型的热核火箭有望进一步提高比冲和推重比,使热核火箭的应用前景更加广阔。

电推进核火箭:将缩短星际旅行时间

普罗米修斯是希腊神话中为人类盗来火种的神灵。在美国航天局以普罗米修斯命名的航天计划中,研究者们希望能像他一样从恒星释放能量的核能中汲取力量,让人类的航天器能飞得更远。在该计划中,研究者们采用了全新的核能发电+离子电推进的技术方式,试图设计一种能够胜任深空探测任务的飞船。这种飞船的时速可达到目前常规探测飞船的3倍以上,能够在60天左右的时间内从地球抵达火星,还能完成去往太阳系外的任务。

在普罗米修斯计划所采用的电推进技术中,首先使用电能将推进剂原子中的电子剥离,使其成为带有正电荷的离子。之后,离子在电场或电磁场的作用下被加速到极高的速度并喷出,使航天器获得推力。由于离子的速度很高,因此在获得同样的推力需要的推进剂质量仅仅是传统化学推进方式的十分之一。1998年美国航天局发射的“深空一号”探测飞船,仅仅携带了81.5公斤的推进剂就可以进行20个月的长时间飞行,这对于化学推进剂来说简直是不可想象的。离子电推进剂能够产生的瞬时推力没有化学推进剂大,但它能让飞船连续稳定的加速数月至数年,最终使飞船达到比较快的速度,缩短星际旅行时间。例如,如果欧洲的“罗塞塔号”飞船改用离子电推进技术,其飞行时间有望从实际的9年缩短到两年半。

我国前不久发射的“实践十三号”卫星也采用了电推进技术,从而能够以少量燃料在轨道上工作更长时间。像“实践十三号”这种在地球附近工作、对推力需求不是很大的航天器,太阳能就足够提供卫星离子电推进所需要的电能。但是对于需要飞向遥远太空的飞船来说,太阳光在地球附近给予的能量就不充足。而普罗米修斯所计划使用的飞船,将用核能发电,为离子电推进系统送去比太阳能更充足、更稳定的能源。在普罗米修斯计划中,设计了更高效的热-声-电核能转换方式。氦气在被核燃料加热后,其膨胀和收缩产生滚滚惊雷一样的强大声波,驱动发电机中的活塞运行,产生电流。

在2003年进行的试验中,普罗米修斯计划研发的大功率离子电推进发动机获得了12千瓦的功率和高达6000秒的比冲,比“深空一号”上使用的离子发动机性能有了较大的提升。遗憾的是,由于美国整体航天政策的调整和该计划本身的一些技术难题,美国于2005年终结了普罗米修斯计划。但在计划实施期间所积累的技术,为今后核能电推进火箭的进一步应用打下了基础。

(责编:谷妍、邓楠)