核动力载人航天器将前往土卫六寻找生命迹象

本文以核动力载人航天器探测土卫六为切入点，浅浅的分析一些核动力的航天器的发展。

内容

我们知道土星最大的卫星是土卫又名“泰坦”，也是太阳系第二大的卫星，自1979年科学家利用先驱者11号探测器首次近距离观测以来，就一直是个谜团。

随着“旅行者”号探测器和“卡西尼-惠更斯”号探测器等其他航天器获取了更清晰的图像和更多数据，这颗卫星的谜团也愈发深重。

土卫六不仅是地球以外唯一拥有浓密富氮大气层的天体，还拥有与地球水循环类似的甲烷循环。此外，它的表面还拥有丰富的生命起源环境和有机化学。

这些特性引发了人们的猜测，认为土卫六上可能存在生命，可能是以简单的生命形式存在于其巨大的甲烷湖中。

这也是NASA开发“蜻蜓” 任务的原因。这架核动力四轴飞行器将于2034年开始探索土卫六的大气层和表面。

但是，载人土卫六任务呢？根据“探索土卫六”组织最近的一项研究，核裂变推进航天器可以实现首次载人外太阳系任务。

这项研究由威廉·奥哈拉（William O'Hara）和马科斯·费尔南德斯-图斯（Marcos Fernandez-Tous）共同完成。奥哈拉是北达科他大学的研究员，也是蓝色起源公司月球栖息地配方负责人兼技术项目总监，以及探索泰坦公司的工程顾问。费尔南德斯-图斯是北达科他大学空间研究助理教授。

自2005年启动“星座计划”以来，NASA的长期目标一直是将人类送往近地轨道（LEO）以外。从阿波罗时代的首次载人登月任务开始。之后，NASA将建设深空基础设施，以便执行火星及更远距离的任务。

由于前往火星的飞行时间可能需要6到9个月，多个航天机构正在研究能够缩短行程的推进方法。

核电推进系统比化学火箭更高效地利用推进剂，但提供的推力较小。它们利用反应堆发电，使氙气或氪气等气体推进剂带正电，并将离子通过推进器推出，从而推动航天器前进。核电推进系统能够高效利用低推力，为航天器提供长时间加速，并且只需高推力系统所需推进剂的一小部分即可推进火星任务。

核热推进技术可提供高推力，其推进剂效率是化学火箭的两倍。该系统的工作原理是将反应堆中的热量传递给液体推进剂。热量将液体转化为气体，气体通过喷嘴膨胀，提供推力，推动航天器飞行。

地球与土卫六之间的距离远大于地球与火星之间的距离—大约8.5个天文单位（AU，1A.U.=149,597,870千米）对0.5个天文单位。因此，必须大幅缩短太空运输时间，以确保宇航员在微重力环境下停留的时间最短，并减少宇宙辐射暴露。

多种核推荐技术方案

所以现在研发了核推进技术的研究，目前可分为两大类：核热推进（NTP）和核电推进（NEP）。

【

NTP 系统能够提供高推力，使航天器能够利用比化学推进系统更高效的推进剂实现轨道逃逸和进入。该技术可以缩短飞行时间，增加目的地的有效载荷质量，并实现中止方案，使宇航员能够从火星转移并安全返回地球。

NEP 的推进剂效率远高于 NTP，且任务有效载荷质量的提升幅度也相当。NEP 系统可配备高推力级，用于执行载人探索任务的轨道逃逸和进入机动。

SNP办公室近期致力于识别核推进系统有利于深空科学任务的特性，从而实现传统推进系统无法实现的任务。具体而言，核推进系统能够加速行星科学研究，使轨道器、着陆器和样品能够从更多目的地返回，从而加速整个太阳系任务的行星科学研究。这些系统还能增加可收集并传回地球的数据量。

化学推进系统（类似阿波罗计划、航天飞机和阿尔忒弥斯计划所使用的系统）预计将用于有效载荷发射，因为它具有持续的技术和经济效益。对于进入太空后使用核推进系统的任务，NASA 将在航天器距离地球足够远、能够保证安全运行之前不会启动这些系统。核动力航天器将被放置在衰变寿命超过放射性降低到安全限度所需时间的轨道上。

核动力推进可以提供多年不依赖太阳能的电力，且几乎不需要加油和维护。

空间裂变反应堆内的材料必须承受极端温度，核电系统的运行温度为 1,700 华氏度（926.67摄氏温度）或以上，而核热系统则需要 4,800 华氏度（2648.89摄氏温度）或以上的温度。】

在研究中，该团队评估了NTP和NEP方案在假设的载人土卫六任务中的可行性，该任务的单程运输时间为一到两年。然后，他们评估了这些系统（发动机和推进剂）的总质量及其对航天器设计的影响。

【这项研究始于NASA设计参考架构5.0 （DRA 5.0）中概述的NTP概念，该概念描述了一艘56.25公吨（62美吨）的载人航天器，利用铀235反应堆和氢推进剂，在约375天内完成往返火星的任务。】

加上540天的地面作业和最佳发射窗口，此次任务将持续两年半。如此长的任务时长将对宇航员的健康构成重大风险，尤其是在延长任务时间前往土卫六的情况下。

哥白尼计划

他们还考虑了“哥白尼”计划，这是NASA格伦中心科学家斯坦利·K·博罗夫斯基在2013年领导的一项研究中提出的更大规模的NTP概念。该火箭的推进剂容量为172公吨（190美吨），可将单程运输时间缩短至150至220天。

预测表明，即使是这种深空任务的持续时间也可能超过宇航员暴露于宇宙辐射的允许限度。虽然哥白尼号可以通过增加推进剂箱将单程飞行时间缩短至90天，但这将大大增加航天器的质量和成本。

VASIMR

他们还考虑了艾德·阿斯特拉（Ad Astra）火箭公司提出的可变比冲磁等离子体火箭（VASIMR）的概念。

这一概念依靠核磁流体动力 (MHD) 反应堆为电动推进器提供动力。根据 Franklin Diaz 等人的研究，采用该发动机可将太空运输时间缩短至 149 天。最后，他们参考了Marco Gajeri 等人2020 年的研究，该研究提出了如何利用直接聚变驱动器(DFD) 实现机器人前往土卫六的飞行任务，该任务往返需要 2 至 2.6 年。如果这些概念能够针对载人任务进行适当的调整和优化，它们将有望推动人类太空探索的下一个重大飞跃。正如该团队总结的那样：

【通过此次审查，我们得出结论，核动力空间推进系统可能是未来泰坦任务的关键推动力。对于载人航天任务而言，考虑到深空载人航天飞行的健康风险，核动力推进系统可能是其成功的最关键因素。】

核发动机

在20世纪50年代，基于铀原子裂变的推进系统就已开始为火箭设计。核裂变推进系统利用铀原子裂变时释放的热量。这些能量随后可用于发电或直接加热氢气等推进剂。迄今为止，只有一座美国建造的太空核反应堆成功进入轨道；该国的其他火箭仍然依赖化学反应提供推进力。

波峰頂部轉動循環-核熱/核電引擎的構念設計

化学推进技术已达到极限。如果没有新型发动机，人类探索月球以外的领域将很难进行。

虽然化学推进仍可用于有效摆脱地球引力，但核推进可以更快地排出推进剂，使火箭以更少的燃料飞行更远。在外星表面，核系统可能是为任何永久太空基地提供动力的最佳方式，尤其是在需要更大功率且太阳能无法满足需求的情况下。目前正在资助新的核能项目，以支持月球、火星及更远地区的任务。

在核热推进系统中，传统火箭的燃烧室被核反应堆取代。裂变热直接传递给流经反应堆的推进剂。然后，高温推进剂通过喷嘴膨胀产生推力。

上图是核电推进航天器仍处于概念阶段，但相关技术开发工作正在进行中。图中展示了一种此类设计的工程效果图，旁边是发电和分配电力所需组件的简化示意图。电力加速电离气体以提供推力。

化学推进系统相比，NTP和NEP均能提供显著更高的比冲Isp ，Isp定义为每单位重量推进剂流传递给火箭的动量，以秒为单位。Isp越大，意味着完成特定任务所需的推进剂越少。核推进系统可以将火星探测时间缩短25%或更多，并运载质量显著提升的有效载荷，

从而支持载人登陆，同时仍能容纳足够的推进剂返回地球。这些系统还显著扩展了中止任务的能力，并提高了任务规划的灵活性，包括更宽的出发窗口。

NTP 面临的最大技术挑战是开发坚固的燃料和反应堆组件，使其能够承受将低温液氢快速加热至 2700 K 过程中产生的极端热、化学和机械环境。反应堆只需一分钟即可达到最大功率和温度。之后，发动机每次机动将以最大功率运行约 30 分钟，而载人火星任务可能需要 6 到 8 分钟。发动机需要离开地月系统并进行飞行中航向调整。

另一个挑战是低温氢的长期储存。火星之旅和返回都需要大量的氢气，并且需要先进的低温流体管理系统来防止氢气沸腾。NASA正在开发这些系统以及载人火星任务所需的其他技术。

在核动力推进系统（NEP）中，反应堆堆芯的热量通过封闭的热力学循环转化为机械能，驱动发电机发电。与核动力推进系统（NTP）相比，NEP系统能够达到并维持更高的初始速度（2000-8000秒），但推力却低得多，尽管推力会随着反应堆功率的增加而增加。

美国太空军联合新兴技术供应在轨核动力（JETSON）项目正在资助空间裂变反应堆的开发，为现有的传统氙气霍尔或离子推进器提供6-15千瓦时的动力。JETSON第一阶段计划于2025年底完成。

附一张 最近几国的空间反应堆电力系统

可以看到NASA正在投资核动力技术（NTP）、核动力计划（NEP）和浮式动力系统（FSP），还有放射性同位素热电发电机(RTG)，以建立持续的月球存在，将首批人类送上火星，并开启行星际科学任务的新纪元。

核能有望开启一个新的太空时代，将我们想在火星上生活的梦想变为现实，并为新的、甚至更大的梦想铺平道路。

所以在此竞争激烈的时代我们是否也应该发展一些核动力技术。