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核動力火箭安全嗎?SpaceX準備使用核動力引發的安全之爭
2022/09/13
2022/09/13

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美國提出了雄心勃勃的重返月球計劃,并要趕在中國之前完成載人登月任務。為了這項任務,還專門研制了最先進的重型火箭SLS,但是這款火箭的首秀卻讓人大跌眼鏡,在多數技術都是成熟技術的背景下,居然推延十幾次,甚至多次出現燃料泄露的問題。這不得不讓人懷疑,美國每年那麼多的研發經費都用來干什麼了?當然,與此同時,后來者中國,卻在各項航天計劃中順風順水,按計劃進行,而且沒有被帶亂節奏。

真正出來攪局的,既不是中國,也不是俄羅斯,卻是美國自己的私人航天企業SpaceX,用獵鷹火箭改變了世界航天發射格局,然后推出了革命性的星艦發射系統,近期又開始規劃自己的核動力火箭了。引領世界航天的榮光,從昔日的美國NASA和蘇聯航天局頭上轉移到了一家私人公司的頭上。

作為世界上唯一擁有核動力航母的國家,美國發展核動力火箭并不令人奇怪。奇怪的是,美國早在1955年就開展了核動力火箭的研發,中間也做出了令人滿意的樣品,但最終沒有實現飛行。反倒是SpaceX突然跳出來說要準備給星艦安裝核動力,這個消息比NASA說要搞核動力更加令人期待。

一、航天科技為什麼一定要搞核動力

為什麼一定要搞核動力,相信大家都是了解的。相對于化學燃料,核燃料的能量密度更高,而且高的不是一點半點,是上百萬倍。核燃料可以讓火箭和飛船擺脫燃料不足的困局,真正實現星際快速轉移和深空探測。

美國設計過一款核熱推進火箭發動機,3噸左右的推力,13分鐘只需要消耗1.7克的核燃料。如果一艘飛船帶上幾百公斤核燃料,那飛出太陽系完全不在話下啊,而且速度將比現有的所有深空探測器快多了。

大家應該對太空飛行有一個基本的認知,太空飛行可不像地球上的汽車和飛機,地球上的汽車和飛機多數時間發動機都是在工作的,而太空飛行的飛行器多數時間都是在滑行的,不需要發動機工作,發動機只需要在修正軌道和改變軌道的時候才需要短時間工作。

在太空飛行的那些飛船和飛行器攜帶的燃料都很少,尤其是深空探測的飛行器,設計軌道的時候并不是選擇最快到達的軌道,而是節省燃料的軌道。所以,現在所有國家的火星探測器從地球到火星往往需要半年左右的時間,最快的也需要5個月左右。

對于無人探測來說,5個月也沒什麼大問題,但是對于載人探測來說,五個月或者半年以上,就太危險了。一方面,要考慮飛船上攜帶的食物夠不夠吃,另一方面還要考慮航天員離開了地球磁場的保護,能否承受住長時間的宇宙輻射。

要想減少這方面的風險,最好的辦法就是加快速度。而要想加快速度就需要推力夠大的發動機和足夠多的燃料。往往為了縮短一點行程,就需要成倍增加燃料的攜帶量,絕大多數燃料都會消耗在離開地球前的加速階段和到達火星的減速階段。用開汽車的感覺來形容就是,一腳油門少半箱汽油就沒有了,一腳剎車又少半箱汽油沒有了,你要想速度夠快,就需要油箱夠大,攜帶的油夠多。

核動力火箭,就像核動力航母一樣,不用擔心燃料攜帶量不夠,完全可以讓更大推力的發動機實現全力加速,讓飛船選擇一條更省時間的路線。有希望實現三個月甚至一個月就到達火星的目標。

二、核動力火箭安全嗎?

很多人擔心的是,核動力火箭安全嗎?其實這也正是航天工作者們最擔心的事情。核動力火箭可不像核動力航母,也不像核電站,航母和核電站都有足夠的空間來增強防護做到安全萬無一失。火箭是要飛的,所有要飛的東西,都得自己足夠輕才行。就算給大象裝上翅膀,它恐怕也很難飛起來吧。

一個要起飛的火箭,推力起碼得超過自己的重量吧。美國那款最接近成熟的核動力火箭發動機,推重比據說只有3:4,也就是推力比自身重量還要小。哪位聰明的朋友能想明白,為什麼美國要研發一款自己都推不動自己的火箭發動機呢?請在評論區留言,最全面的正確答案,我會幫你人工置頂顯示,快點展示你的聰明與博學吧。

為什麼核動力火箭發動機這麼重呢?因為核反應堆本身就需要大量的輔助設施來維持運行,再加上各種防護措施,就會越加越重。幾噸重的核動力發動機里面只裝著幾十公斤的核燃料。嚴格來說,核動力火箭的核反應堆比核動力航母的核反應堆防護措施要求更高。

一般的核反應堆,只需要保持幾百攝氏度的溫度就可以正常工作。但是核熱火箭的反應堆需要在3000℃甚至更高的高溫下工作,只有這樣才可以讓加熱后的氫氣以足夠快的速度噴出來,從而獲得足夠高的比沖和足夠大的推力。這樣的高溫,足可以讓大多數材料熔化甚至氣化,對反應堆的安全性帶來了極大的挑戰。可以想象核熱火箭的反應堆給安全設計帶來的挑戰有多高,對保護材料的要求有多高。

就算保護到位,這樣的火箭一旦出問題可不是鬧著玩的。就算不會發生核爆炸,火箭發射失敗,反應堆墜毀也會帶來很嚴重的后果。所以,就算再大膽,短時間內也不可能讓核火箭直接從地面點火發射。目前所有的設計方案,都是把核動力作為火箭的上面級,或者直接安裝到飛船里面去。讓最成熟的普通火箭把核動力火箭推送到離開大氣層,或者進入近地軌道以后再讓核動力火箭點火。

進入太空的核動力火箭,并不是說就不會出問題了,而是就算出問題也可以讓它遠離地球,至少不會墜毀到地球上。在太空中漂浮的核反應堆,就算有輻射,也不會給地球上的人類帶來傷害。但是,大家肯定會問了,一旦核反應堆出問題,載人飛船里的航天員不就危險了嗎?這樣的風險是存在的,為了減少風險,最好是把核動力裝置和飛船設計成機械對接的結構,出現風險隨時可以拋掉核反應堆。

但我不太清楚,SpaceX的星艦里面如果安裝核反應堆的話,將來出現風險怎樣高效拋掉核反應堆。起碼按現在的結構看,核反應堆應該是會安裝在星艦內部的。那航天員最好是祈禱核反應堆不出問題了。另外,核動力星艦,千萬別像現在的星艦一樣,一邊試驗一邊改進啊。核反應堆出問題可不是鬧著玩的。

根據規劃,SLS的未來版本和中國長征九號的未來版本,也是會發展出核動力模塊的。但是,這兩個官方火箭,應該會比SpaceX更保守一些。所以,真有可能是SpaceX率先實現核動力火箭全球首飛。

簡單總結一下,核動力火箭確實存在不小的安全風險,但是為了將來實現載人深空探測,核動力似乎又是繞不過去的一種方案。

三、核動力遇上斯特林會碰撞出什麼樣的火花?

斯特林發動機是可以通過核反應堆驅動的,然后斯特林發動機可以帶動發電機發電,從而滿足飛船的用電需求。對于深空載人探測來說,太陽能電池板是很難長期滿足飛船內部用電的。現在應用比較多的核電池,也不太能滿足深空載人應用,因為一方面核電池的功率一般都不太高,另一方面,核電池利用短壽命同位素衰變發電,隨著放射性同位素的減少,發電量會越來越低,這顯然不是長期飛行所希望的。

而核反應堆可以長時間保存,放個幾萬年也沒事,但它一般是產生熱量,通過加熱氫氣推動飛船,并不能直接產生電能。要想讓飛船內部獲得穩定的電力供應,還是需要核反應堆利用斯特林發電機來進行發電,蒸汽輪機到了太空就不好使了,因為沒有那麼多的水讓它浪費。斯特林發電機效率比較高,更容易實現大功率,所以會成為未來深空載人探測必備的裝置。

更重要的是,斯特林發電機可以讓核火箭更加安全。斯特林發電機,可以把反應堆的能量變成電能儲存到電池里面,讓火箭變成全電推進的,就像全電推進艦船一樣。核反應堆、斯特林再加上大推力霍爾電推進發動機,就可以構成更加安全可靠且持久的動力系統。因為一方面斯特林發動機可以在更低的核反應堆溫度下工作,另一方面,霍爾電推進發動機可以使用固體燃料,從而可以大幅減少火箭燃料占據的體積,同時能夠減少大量攜帶氫氣所帶來的安全隱患。所以我認為這套系統才是核動力載人深空探測的未來。

這里多說一點,其實核動力技術儲備最雄厚的是俄羅斯,其次是美國,美國很多相關技術都是蘇聯解體后從俄羅斯手里面買回來的,要不是缺錢,俄羅斯的核動力火箭一定能跑到美國前面。相對于這兩個國家,中國在太空核動力技術方面還是比較落后的,積淀要差一些。要想實現超越并不是很容易的事情,好在太空核動力時代的到來應該不會少于十年,中國還有機會趕上。

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