出品：科普中國
作者：蘭順正
策劃：宋雅娟
監制：光明網科普事業部
2021年是火星探索的大年，如今中國、美國、阿聯酋的火星探測器都已經進入火星軌道或者登陸火星表面，這也使得國際社會對于載人登陸火星的討論熱烈起來。最近據報道，美國國家科學院核動力研究小組主席、獨立航天顧問羅杰·邁爾斯與他的同事發表了一份報告，稱核動力火箭很可能是載人登陸火星項目的“核心技術”。
性價比極高的航天推進方式
目前，化學推進是航天的主流動力形式，但化學火箭的效率以及能量密度都不高。當年把宇航員送上月球的土星五號火箭攜帶了95萬加侖的燃料。而據估計即使最簡單的一趟火星登陸之旅，也需要消耗約1000噸推進劑，既昂貴又危險。
而核動力推進是利用核能進行推進的方式。在當前可控核聚變尚未安全實現的情況下，利用放射性衰變與可控核裂變產生的能量是核推進的主要方式。和其他推進方式相比，核動力推進能夠提供極大的能量密度，用于核反應堆的鈾燃料的能量密度是聯氨（一種典型的化學火箭推進劑）的400萬倍，因此很適合進行超長距離太空飛行任務。
美國核動力飛船假想圖
當今核動力推進主要有兩種形式，分別是核電推進與核熱推進。核電推進實際上就是將核能進一步轉化為電能，類似于在飛行器上搭建一個微型的核電廠，利用轉化而來的電能作為推進能量，其后續推進形式實際上就是電推進。核電推進系統主要包括 3 個主要子系統: 核能源子系統、核電轉換子系統和電推進子系統。其中核能源子系統即核能產生裝置，目前太空核能的主要產生方式是放射性同位素衰變與核反應堆裂變; 核電轉換子系統是將放射性同位素或反應堆釋放出的熱能，通過熱電轉換或者其他的方式轉換成電能的裝置; 電推進子系統是將電能進一步轉換成航天器動能的裝置，國外已有的研究中，這類電推進包括離子推力器 、霍爾推進器等。
核熱推進則是將核能進一步轉化為工質的熱能，再利用噴管或者其他裝置將熱能轉化為動能進行推進，其本質是熱推進。通常核熱發動機又分為固體堆芯、氣體堆芯和液氧增強型核熱發動機。核熱推進系統的效率是化學推進系統的兩倍多，這意味著它們在使用相同質量的推進劑產生的推力是化學推進系統的兩倍。美國航天局的工程師估計，用核熱能推進的火星之旅比用化學動力火箭的火星之旅縮短20%-25%。
未來載人登火的新希望
美國、蘇聯均于上世紀50年代進行過關于核動力火箭系統方案、關鍵技術和樣機研究，由于試驗驗證條件、核安全及防護等難題，在70年代左右就紛紛終止了。不過在2009年，俄羅斯重新啟動了核動力發動機的研發工作。在2018年，美國也宣布會在2021年將科研重心之一，轉移到核動力發動機的研發之上。2020 年 2 月，美國國防高級研究計劃局（DARPA）在 2021 財年的預算中提出了一個被稱為敏捷月球操作演示驗證（DRACO）的計劃，此前這個項目叫做“火箭核反應堆（ROAR）”，這標志著美國準備重啟核動力火箭的研究計劃。
冷戰期間蘇聯開發的核動力引擎
此次邁爾斯指出，載人登陸火星任務需要考慮到很多因素，尤其需要考慮抵達火星需要的時間、在火星上停留的時間、飛船返回的可靠性等問題。他認為，解決這些問題的關鍵就在于盡可能縮短地火往返時間，“盡可能快地完成飛行任務”，而這需要足夠的燃料支持。因此邁爾斯和他的小組認為，核動力可能是一個更優選擇，它可以用更少的燃料和更短的時間完成火星任務，甚至直接利用核動力發動機的推力借助引力彈弓效應回到地球，這同時也將把宇航員在火星表面停留的時間縮短至一個月。
軍事小詞典
核動力火箭：核動力火箭是利用核能進行推進的火箭，主要有核電推進與核熱推進兩種，和其他推進方式相比，核動力推進能夠提供極大的能量密度，因此很適合進行超長距離太空飛行任務。
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